如果宇宙可以伸缩

10²²米，10²¹米，10²⁰米，1019米，1018米

约106万光年至106光年

从8至10倍银河系直径那么大，到一个巨大的分子云那么大

设想一下，你是一个充满力量的外星生物，能够随意揉捏银河系里的所有恒星，将它们全部挤压到一起。若将这些星体之间的空余部分去除，你便能把这些恒星塞进一个边长80亿千米（大约是地球公转轨道半径的54倍）的立方体中。这个包含了2 000亿颗恒星的立方体刚好能放在太阳系中海王星的轨道直径内。换句话说，星系之中、恒星之间有着大量的剩余空间。

当然，物理法则并不会允许你这么做，至少不会让你万无一失地做成这件事。把这么多大质量物体堆在一起的问题在于，最终你会制造出一个黑洞。为什么？因为所有这些恒星间的引力将无可估量。然而奇怪的是，这样一个包含了2 000亿颗或银河系中更多恒星的黑洞，实际上比我们设想的恒星立方体要大得多，其体积大约是立方体的146倍。

这是因为，如果你将黑洞的最外围视为黑洞大小的测量边界，那么实际上黑洞中很大一部分的密度是相当低的。这一点可能有点儿反常，但是黑洞的大小，也就是事件视界（event horizon，即不归点，黑洞质量集结的一片区域，在这片区域内，任何东西都无法逃脱）与黑洞的质量成正比。换句话说，如果黑洞的质量翻倍，那么事件视界的半径也将翻倍。

这和发生在一般物体上的情况非常不一样。比如说，将两个相同的面团揉在一起，新面团半径并非原始面团的2倍，而只比之前大了26%。

为什么呢？因为普通物质形成的球体半径与质量的立方根成正比，质量增加1倍，半径大小只增加26%。因此，如果我们把黑洞的事件视界看作其物理尺寸的测量范围，那么位于黑洞边界的物质的平均密度就会非常低。一个质量是太阳质量30亿倍的黑洞，其密度可能只与我们呼吸的空气密度一样！但这种说法与我们对宇宙的理解有点出入，之前对这些物体的理解告诉我们，黑洞的全部质量实际上被压缩在一个非常小的、几乎不可见的、围绕中心无限收拢的区域内。

在体积最大的星系的核心处，在那些巨大的奇点存在的地方，情况通常也和我们预期的恰好相反。的确，黑洞是黑的，但是你可能不这么想，因为它们能够产生巨量的光线。气体、尘埃、恒星、行星以及其他某些未知的、能加速的东西，如果离黑洞足够近，就会被撕成碎片，并且被加热。从事件视界之外，直至到达不归点，能量会在这个过程中向外逃逸。如果有足量的向内掉落的物质，那么一个旋转着的黑洞便能将质量转化成能量，其效率甚至比核聚变还要高。在整个宇宙中，散发出最明亮的光的黑洞，释放出的能量是太阳能量的百万亿倍。

物质在密度被压缩到极致的情况下（比如黑洞这类情况），会让我们当中最严谨的人都大吃一惊。而在另一极端，类似银河系这样的星系中的空荡区域同样让人吃惊。

必要的空白

大部分人总会在生命中的某些时刻感受到孤独：在不熟悉的地方迷路时，独自一人在家时，或者被遗留在黑暗、恐怖的森林深处时。但是星系际空间（intergalactic space）和星际空间（interstellar space，也就是星系之间或者星系某些部分的恒星之间）确实是你所能遇到的最孤独的两个地方了。在这些“跨区域”环境中，安全区的跨度非常非常长，其间几乎没有任何东西。

如果你是一个倒霉的宇宙搭便车旅行者，正站在银河系的恒星之间，你的身体就会呈现出一种物质集中的状态，密度大概会是围绕在你身边的星际空间密度的1亿兆倍。换句话说，看看你的小手指头：这么点儿地方就包含10²³个原子。而这一数字，正好是1亿立方千米的星际空白中的原子总数。

最终，作为一个被滞留在原地的旅行者，你稍稍有点释怀了，毕竟在宇宙中，你也算挺特别的了。如果你随机地把一个图钉钉在可观测宇宙地图上，它只有极小的可能性会被钉在一个像你的身体或是任何行星、恒星那样富含物质的地方。

星系中的奇怪空白引发了一些其他的有趣特质。假设两个星系发生了碰撞（大概在40亿年内，银河系和其临近星系仙女座就会发生碰撞），在一个如此大型的事故中，恒星本身会撞到一起去吗？不，并不会。与它们之间的广阔空间相比，恒星实在是太小了，根本不可能撞击在一起，即使它们巨大的母星系正在缓慢地穿过彼此。

在星系与星系接近时，物质的引力作用会扭曲和破坏星系的形状及星辰的运行轨道，但另一方面，就像是两群虫子或者鸟迎头相遇一般，这些小星星会直接从彼此之间的空隙处溜过去。

星系际空间的物质稀疏度甚至比星际空间的更加极端。若是被困在星系际空间（比如从银河系到邻近的仙女座星系的旅途中），你需要压缩的体积至少是星际空间的100万倍，才能使其中的物质和你身体内的物质数量达到同一级别。

最坏的情况下，你正好位于星系际“空白”处，那么这时需要压缩的体积可达星际空间的1 000万倍以上。在星系之间、物质呈网状分布的一些地带，几乎没有可发光的物体存在。泡沫一般的宇宙空白跨度能超过3 000万光年（约3×10²³米）。在这些区域，物质的密度甚至小于宇宙平均密度的1/10，这使得这些地方极度压抑，除非你享受这样的空无一物。

但这并不意味着这些空白是毫无用处的，事实远非如此。在这些地方，空间的扩张实际上会更快一点，因为这里没有那么多物质产生的引力。因此，宇宙空白能够“自我清洁”，将物质堆放在它们的边界处，也就是推到周围密集的星际空间里。这样的话，它们就能直接将物质聚集起来，送到明亮的星系和恒星网里了。

我们的（略微有点功能失调的）星系家族

明亮的星团和星系组群中的个体并非孑然一身，它们彼此之间的距离只有大约300万光年，或者3×10²²米。举个例子，从银河系的中心到下一个最近的大型星系——仙女座（也称梅西耶31或M31）的中心，距离相对没那么远，这一“鸿沟”约有250万光年，或者2.5×10²²米。

也有证据表明，仙女座周边有一片稀薄的等离子云（由正离子和电子组成的气体），这片等离子云向外延伸的距离约有100万光年（10²²米）。这是一种非常轻薄的物质，凭借人类的感知是无法将其与真空区分开来的。但在这一气体混合物中，某些组成部分的温度约为100万摄氏度，包含碳和硅，以及氢和氦。我们目前还不知道银河系是否有类似的光环。

我们已经发现，银河系引领着一大群更小的卫星星系。其中拥有最多恒星的是我们熟悉的大、小麦哲伦云，它们是一对不规则矮星系，分别包含约300亿颗和30亿颗恒星。但在150万光年的距离之内，至少还有30个矮星系存在，大部分都位于围绕银河系的轨道上。

我们也发现这并不是一个完全幸福的家庭。这些矮星系的轨道会导致它们自己的恒星被引力拉走，从而被剥离出去，进入围绕银河系的巨大“潮汐流”（tidal streams）中。这些恒星残骸区是了解星系成长的线索。一个大的星系有时会用几十亿年的时间来蚕食自己的小伙伴，从而增加自身重量。

这些围绕着银河系的潮汐流极其黯淡，因为它们仅表现为分散在星系空间鸿沟中的一小部分恒星。然而，灵敏的望远镜所获得的数据能够揭露它们的存在。一个绝佳的例子就是人马座星流，这是一个宽阔而混乱的恒星环，环绕着银河系，不停歇地游走。

这种星流也能够揭露银河系引力场的基本形状。从这个角度来说，恒星的轨迹便是天然的引力探测器，其测量点位散落在几万、几十万光年的范围内。

这些测量也是一种强有力的提醒，点明了作为宇宙核心谜题的一个事实：在一个类似银河系的结构中，可见的、明亮的、由正常物质组成的恒星、气体和尘埃只不过是一小部分组成物罢了。在我们的星系中，暗物质的数量大约是正常物质数量的10～30倍。

什么是暗物质？研究单个星系的运行是解决这一难题的好方法。目前最受推崇的答案就是，暗物质是一种亚原子粒子，仅通过引力和弱力相互作用，而且这种物质并不会反射或吸收电磁辐射。

显然，与其他亚原子粒子相比，暗物质粒子数量极多。暗物质的特性可总结为一个首字母缩略词：“WIMPs”，即弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particles）。“弱相互作用大质量粒子真实存在”这一理念符合很多宇宙测量结果，包括已推断出的星系和星系团的引力场、引力透镜的观测，以及宇宙微波背景辐射模型。问题在于从未有过任何弱相互作用大质量粒子被直接检测到，有很多仅针对地球的实验仍在积极地寻找它们。或许并不存在什么暗物质，不过是我们对引力本身的性质理解得不够完整罢了。

古老的银河系

不管是否有弱相互作用大质量粒子，我们的银河系都是个了不起的典范，它展示了宇宙是如何收集物质的。银河系横跨100 000光年（约10²¹米）的距离，包含总质量相当于太阳质量1万亿倍的可见物质和暗物质，可谓是一头猛兽。

这个扁平的、飞碟状的星系是时间的产物，而这段时间是一个引力下降、能量散逸、角动量守恒的过程。

星系动物园

星系可以如动物物种一样分门别类（根据不同的历史以及不同的恒星、气体、星际尘埃混合的情况予以分类）。

这些“物种”也在大小和恒星数量上跨越了好几个数量级。

还有其他一些明显的线索可以追溯银河系的过去，比如更古老恒星的中央核球（central bulge）。这些古老恒星之间的距离比银河系中太阳周围恒星的间距更近。在这接近银河系几何中心的地方，恒星的空间密度大幅上升。在距离中心300光年的范围内，恒星的数量比太阳附近任何指定空间区域的恒星数量的100倍还要多。如果再向内前进一点，恒星密度会继续上升，甚至达到一个难以想象的峰值：恒星密度会比我们惯常认为的高100万倍。

这意味着恒星间的距离是用光周（light-weeks，约10¹⁴米）而不是光年来计算的。在这种环境下，任何行星的天空都会充满明亮的光点。

如果我们住在星系核心深处，夜晚的天空将会布满100万颗如天狼星般明亮的恒星，这些恒星用比我们熟悉的满月时的亮度还要亮200倍的星光照亮了整个世界。

在这个明亮的核心深处，坐落着一个神秘的区域。这里有一个由气体、尘埃和恒星组成的圆环状结构，围绕在范围仅有几光年的星系中心周围。这个圆环结构笼罩着一个黑洞，也就是所谓的人马座A。这可是一头怪兽，质量大约是太阳质量的400万倍，它将自身紧紧地包裹住，形成了一个不断聚集物质的旋转圆盘。

但这只不过是银河系的一个特殊部分。古老的银河系是一个无序而又复杂的地方，在这里，超过2 000亿颗恒星用它们的方式环绕或者穿越可怕的引力井和星际垃圾。银河系最具标志性的特点就是其明亮的旋臂。这些旋臂是不断移动的区域，是炙热而明亮的新恒星形成的地方。

与这些旋臂相关的是围绕在星际圆盘周边的恒星及气体密度缓慢发生的改变，像是涟漪一般。从这方面来说，银河系和其他类似星系的宏大结构，多多少少带有些虚幻的色彩，这是广阔而相对温和的物质波造成的结果。

在我们的附近，也就是距离银河系中心26 000光年（2.5×10²⁰米）

的地方，恒星沿轨道运行，需要2 300万年才能绕行银河一圈。我们认为太阳目前正处于绕行银河第20周的旅途中，或者说是第20个“银河年”（galactic year）。但我们邻近的恒星并不完全与这一运动同步，恒星更像是稍微有些混乱的鸟群。

围绕在我们身边的恒星以几十千米每秒的速度在不同的方向上飘移着。随着时间的流逝，这种运动会产生一些混乱，所以今日离我们很近的东西可能在百万年前并非如此。事实上，我们并不知道在45亿年前，恒星群中与我们的太阳一同诞生的其他那些“太阳”现如今在哪儿。可能它们仍在某地组团，也可能彼此相距甚远。

我们邻居的时间机器

人类历史被地球发出的光裹挟着，快速进入了宇宙。从附近的恒星到仙女座，我们的星系邻居随着地球之光的行进路线，目睹了我们故事的每一个阶段。

更近的视角

在我们周围100光年以内有约10 000颗恒星。

过去100年内发生的所有事（世界大战，物理学、生物学、基因学上的突破，太空探索，各种发现，社会变迁，艺术和音乐）可能都被几千个与太阳类似的恒星上的生命——目睹着。

今天，我们住在银河系里一个相对不那么显眼的地方。在距离我们50光年的范围内，有约130颗在夜晚裸眼可见的恒星，以及至少1 300颗比较黯淡却能被望远镜检测到的恒星。这并不是很多，甚至听起来易于掌控，范围也相当有限。然而我们人类这样的物种在过去的4万年里还不能到达离我们最近的相邻恒星。这样说来，我们就是星际荒原上的一座孤岛。

随着旅程的继续推进，我们会探讨这个孤岛是否值得一游。