给宇宙画像，其结果可能比瞎子摸象还要片面，“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。但认识宇宙是科学的责任，更是人们的愿望。正因为“身在此山中”而必须了解“此山”。何况应用现代科学理论和技术手段，已大概可以对宇宙的结构、形状和大小进行描述，尽管这种描述也是经由片面而达至全面的。
　　
　　宇宙的大结构
　　
　　根据宇宙大爆炸理论，我们已可大致猜到宇宙的大结构。大爆炸后生成的氢、氦和少数其它元素，以气体形态弥漫在整个宇宙中，随着温度降低，因密度的不均匀，在引力作用下分裂成星系云，随后星系云内部因同样的原因再分裂形成恒星。果真如此，恒星和星系在宇宙中的分布肯定不会是均匀的，而是成团成伙，形成整体的泡沫大结构。


　　迄今的观测证实，恒星的分布确实是不均匀的。除太阳这样的单星外，还有许多是两颗、三颗、四颗聚集在一起，形成双星、三合星和四合星(也叫聚星)，还有十几颗到几十万颗在一起形成星团的。
　　单星、双星、聚星和星团也不是均匀分布的，其中一些靠得比较近，因物理联系而形成星系。星系中的恒星和星团，在宇宙的膨胀过程中距离保持不变而不散开。我们太阳所在的银河系，共有1000多亿颗恒星，其中包括1000个星团。银河系的半径为5万光年。
　　在宇宙中像银河系这样的星系共有1000多亿个，还有一些独立的星团、星云和类星体。观测表明，它们在宇宙中也不是均匀分布的，它们也成群结队地聚集在一起，形成星系群或星系团。银河系、大麦哲伦星系、小麦哲伦星系、仙女座星系和M33旋涡星系等约20个星系和星团组成的星系群，叫本星系群，半经为300万光年。
　　星系群和星系团不是最大的群体，它们又聚集成超星系团。本星系群和室女座星系团等约50个星系群和星系团聚集成的超星系团叫本超星系团，半径约3亿光年。
　　探测表明，超星系团还不是最大的群体，在距银河系约2亿光年的地方有一个巨大的引力源在牵引着本超星系团，这个大牵引者可能是许多超星系团组成的超星系团集团。
　　星系、星系群、星系团和超星系团的这种聚集，形成了宇宙的泡沫状大结构。星系密集的地方是泡沫壁，即星系膜或星系纤维。那里一个接着一个的星系，形成“星系长城”。距银河系约3亿光年的地方有一条长5亿光年的星系长城。而几乎没有星系的地方就是泡沫结构中的大泡泡，叫“星系空洞”。空洞的直径达1～3亿光年。
　　宇宙的这种泡沫状大结构，并不表示宇宙中的物质分布不均匀。恰恰相反，各个方向的微波背景辐射的一致性等证据表明，宇宙中的物质分布是相当均匀的，均匀度达到十万分之一。
　　


　　宇宙有限还是无限
　　
　　要说清宇宙是有限还是无限这个问题，让我们先来回忆一下前面提到的奥伯斯佯谬：夜空为什么是黑暗的?
　　如果宇宙是无限的，那么它就会有无限多颗发光的恒星。即使绝大多数恒星离我们很远，显得很暗淡，但无限多个暗淡星光的迭加，也会形成巨大的光芒。我们知道，恒星的亮度与距离的平方成反比，即距离增加1倍，星光减弱为1/4，距离增加到3倍，亮度减为1/9等等。
　　但另一方面，距离增加一倍，恒星的数量也增加到4倍，距离增加到3倍，恒星的数量则增加到9倍，即恒星的数量随距离而呈平方正比地增加。因此，这两个因素可以相互抵消。这样，在给定距离上所有恒星的累积星光的强度是一样的，与距离无关。因而，无限恒星光度的累加，总的星光量是无限的，夜空应该是无限亮的，而实际上为什么是黑暗的呢?
　　当然，在无数的恒星之间，它们会相互遮挡，因而到达地球的光亮度不会是无限大的，但也应该是很大的。我们可用热力学来估算这个亮度和温度。恒星把热量和光辐射到太空，使太空的温度不断升高，当达到一定高度，即达到恒星自身的表面温度时，辐射强度不再上升，达到热动平衡状态。这时，整个宇宙空间都是几千K的温度，夜晚的天空应是在这个温度上发热发光，而不是黑暗的。这种温度和亮度相当于把地球放在离太阳表面100万千米(实际距离的1/150)的地方，那样，地球因酷热而不复存在。
　　问题出在哪里呢?首先，恒星不是永恒地燃烧的，婴儿恒星和死亡了的恒星不会发光，发光的主序恒星有一定的寿命。其次，宇宙不是静止的，而是在不断膨胀的。最后，宇宙不是无限的，它有有限的年龄，有有限的尺度大小。


　　由上所述，夜晚的宇宙是黑暗的，正是宇宙是有限的重要证据。其实，如果大爆炸理论是正确的话，宇宙应该是有限的，就像不断膨胀的气球，总有一个一定的体积；威力巨大的氢弹爆炸，总有一个可算出的影响范围一样。宇宙如果是在120亿年这个有限的时间前在大爆炸中诞生的，不管是多大的膨胀速率，至今也是一个有限的尺度大小。由此也可解释奥伯斯佯谬。由于第一代恒星是在大爆炸后1亿年放出光芒的，因此，距地球119亿光年外的第一代恒星所发出的光，以及在一定距离外新诞生的恒星(如10亿光年外不足10年的恒星)发出的光还没有到达地球。因此，有限的宇宙和有限数目的恒星的光的迭加，也是有限的，而且是很微弱的。从热力学角度看，就是宇宙从大爆炸诞生至今，还没有达到处处都是恒星表面温度那种热平衡所需要的足够的时间。所以夜晚的天空是黑暗的。
　　
　　宇宙的质量和体积
　　
　　既然宇宙是有限的，那么，它一定有一个具体数值的尺度和质量。
　　根据宇宙膨胀(星系退离我们)产生的多普勒效应，可求出宇宙的膨胀速率为每10亿年膨胀5%～10%，我们已经知道宇宙的大致年龄约120亿年，因而可以算出现在的可观测宇宙的尺度大约是1023千米。
　　我们知道，银河系至少有1000亿颗恒星，宇宙中至少有100亿个星系。这样，根据宇宙中恒星数量的下限(1021颗)，如果按它们的平均质量为太阳的质量(2×1033克)计算，宇宙质量的下限就是1021倍太阳质量，即2×1054克。如果从组成物质的重粒子，即质子和中子的数量(1080个)计算，由于质子中子的质量为10 -24克，也可得出宇宙的质量为2×1056克。
　　当然，这些数据大有瞎子摸象的嫌疑。如在尺度计算中忽略了暴涨，在重量计算中忽略了暗物质，以及其它许多因素。我们知道，暴涨时期的宇宙膨胀速度，每秒钟半径增大1030倍，比现在的膨胀速率大得多。我们也知道，在宇宙大爆炸中产生的中微子，由于它不与其它粒子作用，至今宇宙中是中微子的海洋，每立方米空间中约有10亿个中微子。现代科学发现中微子也有质量，如果它们的质量以最轻的粒子——电子的质量(质子质量的1/1836)的万分之一计算，它们的总质量也已超过了恒星的总质量。天有多高?地(非指地球)有多厚?从确切的意义上说目前仍然是个未知数。平时，人们常用“不知天高地厚”来讽刺一个自不量力的人。看来，这“天高地厚”确实是最高的知识标准之一了。但它终有一天会丧失做为讽刺词汇的地位。
　　


　　宇宙的形状
　　
　　根据大爆炸宇宙理论，科学家们倾向于认为宇宙是个“有限无边”的形状。“有限无边”似乎是矛盾的。其实不然，我们可从二维的地球表面来体会“有限无边”的含义。我们知道，地球是球形的，地球的表面积是有限的，它的数值通过初级数学公式就可从确定的地球半径中计算出来。但是，地球没有边缘。从在地面上的任何一点出发沿地面任何方向前进，都可回到出发地，而没有发现地球有边缘。宇宙的“有限无边”的含义也是这样，不过，宇宙是三维的，从三维空间的任何一点出发，向上下前后左右各个方向前进，也不会发现有边缘而可以回到出发地。
　　不过，“有限无边”还没有说清楚宇宙的具体形状。符合“有限无边”条件的形状不只一个。举例如下：
　　符合“有限无边”条件的最简单形状是球形。试想想，在球体内部，从任何一点出发，沿任何方向前进，都可回到出发地，而不会碰到边缘。
　　轮胎形(或甜面包圈形)也符合“有限无边”的条件。当然，这个轮胎是很大很大的，如果真像汽车轮胎那么小，你会感到轮胎壁就是边缘。即使是不大的球体内部，你也会感到有边缘，但足够大以后，这种感觉就消失了，就像我们在弯曲的地球表面上行走的轨迹是曲线，但感觉像在平面上沿直线行走一样。
　　还有一种克莱因瓶形，也符合“有限无边”的条件，所谓克莱因瓶形，像是一个把长颈瓶的瓶颈弯过来，将瓶嘴插入瓶身的形状。实际上，它是一个畸形的轮胎形。
　　请读者思考，除上述三种形状外，还有哪些形状符合“有限无边”的条件?
　　宇宙到底是什么形状现在还是一个谜。这个问题靠我们用科学理论去论证。“不识庐山真面目，只缘身在此山中”，我们永远无法用直接观测的办法将宇宙“尽收眼底”。因为在宇宙之外既没有时间，也没有空间，我们不可能跳到宇宙之外远离宇宙去观看整个宇宙是什么形状的。但我们完全可以从理论上去论证宇宙是什么形状的，甚至可以从经验感受中去体会宇宙是什么形状的，就像在航天技术诞生以前，我们不能远离地球观看到球形的地球，但从航海经验中，相向而来的帆船，总是先露桅杆，后见船身，感受到地球是圆球形的一样。
　　 下期我们介绍黑洞★