了解宇宙，走进宇宙202312THE EARTH

在远离人造光的晴朗夜晚，单凭肉眼你至少可以看到一两千颗星星；如果当晚没有月亮而你的视力又特别好的话，你可以看到将近四千颗。一把沙子里的沙粒要比这多得多。太空之广袤，令人望而生畏。强大望远镜的观测表明，太空包含大量星系，每个星系都拥有数十亿颗星星；我们星球上的沙漠、海滩和海床里都含有大量沙粒，同样令人眼花缭乱。那么，在这场数字游戏中，沙粒和星星谁会胜出呢?地球上的沙粒和宇宙中的星星哪个多

这个问题的答案取决于沙粒的平均大小和宇宙的大小。按照阿基米德非常慷慨（甚至不切实际）的估算，一粒小米粒可以容纳一万颗沙粒，这使得一颗沙粒的大小几乎可以忽略不计。他还估算出，40 粒小米粒并排放在一起， 可以达到一根手指的宽度，大约 19 毫米。这样，一个直径为一指宽的球体可以容纳6.4 亿颗沙粒。阿基米德又根据前辈阿利斯塔克（Atistarchus）的经典日心说，估计了宇宙的大小。在当时的日心说所描述的太空模型中，地球绕太阳运行，恒星固定在一个同样以太阳为中心的球体上，但距离要远得多。当地球从太阳的一侧运行到另一侧时，古希腊人无法辨察出天空中恒星相对位置的任何变化， 即所谓的视差，意味着恒星与太阳的距离必须有一个最小值。阿基米德据此估算出了当时已知宇宙的最小可能直径——写成现代单位，大约为2 光年。是美国夏威夷大学的研究人员在 2003 年的一项研究中估算

出，地球上沙粒的数量为 750 亿亿， 或者说 75 后面跟着 17

个 0。至于整个可观测宇宙中的星星，他们得出的数字为 700

万亿亿，相当于一颗沙粒对应约一万颗星星。

古希腊数学家和科学家阿基米德（Archimedes） 也对这类

问题感兴趣。

公元前 3 世纪，他 写 了一篇名 为《数沙者》（The Sand

Reckoner）的短文给锡拉库萨（又译作叙拉古）国王革隆

（Gelon）。这篇面向非专业人士的短文既准确又清晰，也被

认为是第一篇研究说明性论文。阿基米德在文中提出了一个

问题：填满整个宇宙需要多少颗沙粒。

阿基米德告诉你：填满整个宇宙需要多少颗沙粒？

今天，我们可以很容易地通过数学计算得出， 要填满一个直

径 2 光年的球体需要多少颗阿基米德估算大小的沙粒。答

案约为 1 后面 63 个零，也可以紧凑地写成 1063——

10×10×10×…×10（有 63 个 10 相乘）。而阿基米德面临

的问题是， 在他那个时代， 还没有我们这种表示大数的简便

方法。我们现在使用的从 0 到 9 的阿拉伯数字，大约在其

800 年后才出现（而且还是出现在印度，不是在阿拉伯地

区）。位值制记数法，即根据同一符号的不同位置来表示其

数量级（例如 30、300 和 3000 中的 3）的方法， 彼时在古巴

比伦还处于起步阶段， 尚未传入古希腊。况且当时还没有指

数这样的记数法，即一个数自乘多少次可以写成上标（即

1063 中的 63）。阿基米德意识到，要表示他在计算宇宙沙粒时所产生的那

种巨大的数， 必须想出一套全新的数字命名系统。阿基米德

首先将所有不超过 myriad myriad 的数定义为“第一阶”的

数，然后从这里开始无限延续下去。对我们来说这似乎并不

是一个很大的进步，因为我们可以很容易地将 myriad

myriad 写成 104×104， 也就是 108（1 亿）。但是阿基米德开

始他的大数项目时， 并没有指数记数法， 用指数来表示一个

数自乘次数。

在将所有不超过 myriad myriad 的数定义为第一阶的数之后，阿基米德继而考虑了介于myriad myriad和myriadmyriad 乘以 myriad myriad（1 后面跟着 16 个 0，也就是 1016）之间的数， 并将这些数称为“第二阶”的数。之后他依此类推， 以同样的方式定义了“第三阶”“第四阶”的数——后一阶都是前一阶的myriad myriad 倍。最终，他达到了“第 myriad myriad 阶”的数，换句话说，在指数记数法中，这个数是 108 自乘108 次，即108 的108次方，等于10800,000,000。他将所有这些数定义为“第一周期”的数，如果将其中最大的数完整写下来，会有8亿位。他把10800,000,000 这个数作为“第二周期”的跳板，以它为起点再次开始这个过程。他用同样的方法定义了第二周期里的阶，每个新的阶都是前一阶的 myriad myriad 倍。到“第 myriad myriad 周期”结束时，阿基米德得到了myriadmyriad 的 myriad myriad 乘以 mytiad myriad 次方这么大的数，我们可以将它写成1080,000,000,000,000,000，即 10 的 8 亿亿次方。

“无数”的沙粒

阿基米德并不知晓我们书写大数的紧凑写法，古希腊数学中甚至没有零的概念。他从一个为超过几亿的数命名都困难的系统出发，创造了一种可以描述在10 进制下有8亿亿位的数的方法。

事实证明，在数沙项目中， 阿基米德并不需要这么大的数。利用他对一颗沙粒和整个宇宙大小的估计，阿基米德得出的数只达到了第一周期的第八阶。用指数记数法，仅仅8×1063 颗阿基米德估算大小的沙粒就足以填满希腊人认知里直径 2 光年的宇宙。即便使用现代更大的估计——可观测宇宙的直径为 920 亿光年，填满它也用不到1095颗沙粒，而这个数刚刚才达到阿基米德第一周期的第十二阶。

《数沙者》是最前沿的工作。阿基米德不仅在有限的数据条件下提供了一幅与我们现在所知最接近的宇宙图景，而且发明了一种描述大数的全新方法。阿基米德是第一个在没有现代记数法的情况下解决了命名和操作大数问题的人。他使用以 10,000 为底的数字系统，有效地开创了幂运算——即将一个量提升到另一个量的幂次的过程。他还发现了同底数幂相乘指数相加的规律，即对于任意的数x，m，n，有 xm×xn=xm+n。例如 32×33=(3×3)×(3×3×3)=35。阿基米德第一个证明了人有可能超越其时代传统——在他所处的那个时代，大数传统上被简单地称为“无数”。这种处理方式在描述沙粒和星星时尤为明显。比阿基米德更早的古希腊诗人品达（Pindar）在其《奥林匹亚颂》第二首（Olympus Ode Ⅱ）中写道：“沙粒无法计数。”希腊语中甚至还有一个词 psammakósioi（字面意思“沙百”），就是用来表示“不可数的”。《圣经》的作者也放弃了沙粒和星星的计数。《圣经》里有 21 处提到不可能计算出沙粒的数量。《旧约 · 创世记》中说：“海边的沙，多得不可胜数。”《新约·希伯来书》更是将沙粒和星星混为一谈：“如同天上的星那样众多，海边的沙那样无数。”正如我们所见， 阿基米德并没有把自己局限在海

边甚至整个地球的沙粒上。他想象整个宇宙都充

满了小到几乎看不见的沙粒， 这样就保证了同时

代没有人能超过他估算的数。早在阿基米德那个

时代，人类的求知欲就不再止步于想知道宇宙需

要多少粒沙子才能填满， 而想进一步探究宇宙从

何而来、宇宙中有什么、只有宇宙中才有生命

吗？ ……

才能填满宇宙

关于宇宙的起源，总有一些浪漫又天马行空的想法。

在一些古老的神话中， 宇宙是由一个巨大的蛋孵化而出。蛋的破裂就像一场爆炸，释放出宇宙中的一切物质和能量。在一些说法中，上帝被描绘为用织布机编织宇宙的神秘布料。宇宙的诞生就像是上帝在织布机上巧妙编织线条，创造出星辰和行星。另外一个同样有趣的宇宙学假说是泡泡宇宙理论。按照这个理论，宇宙是一个巨大的泡泡，每个泡泡里包含一个不同的宇宙。这些泡泡之间不断涌动和碰撞，创造了无尽的宇宙多样性。目前科学家们对宇宙起源和演化最为广泛接受的理论之一是大爆炸理论， 即宇宙是一场大爆炸的结果。大爆炸理论最早是在 20 世纪初由比利时天文学家乔治 · 勒梅特和俄国物理学家亚历山大·弗里德曼提出的。在约138亿年前，宇宙处于一个极高密度、温度的状态下， 突然经历了一次爆炸性的膨胀，从而创造了时间、空间和物质。这个过程是如此宏伟，以至于我们无法完全想象。大爆炸不仅创造了宇宙，还为后来形成星体和星系的物质提供了基础。

宇宙的起源：大爆炸与宇宙的诞生了解宇宙

在广袤的宇宙中， 星星是宇宙的主

角之一。恒星和行星是两类常见的

星体， 它们在性质、形成过程和角

色等方面存在明显的区别。恒星是

通过核聚变反应产生光和热的天

体，太阳就是其中的典型代表。与

之不同， 行星则是绕着恒星运行的

天体， 没有自己的光源， 而是通过

反射恒星的光线而可见。恒星的形

成始于星云中的物质逐渐聚集形

成一个密集的核心， 而行星则通常

是在恒星形成过程中未纳入核心

的物质团块逐渐凝聚而成。此外，

恒星通常拥有较大的质量和尺寸，

是宇宙中的光源， 而行星相对来说

质量较小， 其主要角色是在恒星的

轨道上运动， 参与了宇宙中的引力

相互作用。这些差异使得恒星和行

星在宇宙的结构和演化中扮演着

截然不同的角色。

2. 恒星的分类恒星有着各种各样的分类，主要是基于它们的质量、亮度和温度。超大质量恒星可能在其寿命中经历更加壮丽的演化， 而较小质量的恒星则可能在它们的演化中变成更加稳定的天体。这些不同的恒星为宇宙带来了多样性， 使我们的星空变得如此绚丽多彩。在科幻作家刘慈欣的小说《超新星纪元》中，人类文明利用恒星作为能源， 构建了星球质量引擎。这种引擎通过控制恒星的质量， 达到调整恒星的亮度和能量产生的目的。这部小说也通过对宇宙的巧妙设想， 将人类文明的命运与恒星演化紧密联系在一起。宇宙中的各种星星：天空中的璀璨明珠走进宇宙

1. 恒星与行星的区别

1. 星云：宇宙的摇篮

星云是宇宙中最为神秘而美丽的结构之一。它们主要由气体和尘埃组成，是恒星诞生的摇篮。著名的星云包括位于猎户座的猎户座大星云，这是离地球最近、最容易观察的星云之一。它包含大量年轻的恒星，以及正在形成的原恒星。位于天鹅座的鹰星云以其“鹰柱”而闻名，这是一片巨大的分子云区域，也是新星形成的地方。位于天蝎座螺旋星云是一个由恒星喷发的气体形成的星云，展现出美丽的螺旋形状。

星云中的物质逐渐凝聚形成星体，这些星体包括我们所熟知的行星、卫星，以及恒星。因此，星云也被称为“宇宙的摇篮”。3. 暗物质：神秘与未知

宇宙中的暗物质是一种神秘的物质形态，暗物质占据宇宙质量的约 27%，远远超过可见物质的比例。它不发光、不吸收、不反射电磁辐射，因此无法通过电磁波（如可见光、射电波等）来直接探测和观测。尽管暗物质不与光子相互作用，但它通过引力与其他物质相互作用。在宇宙中，暗物质的存在对可见物质和宇宙结构产生引力效应，例如在星系、星系团和宇宙大尺度结构的形成和演化中发挥关键作用。

虽然黑洞和暗物质都涉及引力，但它们的性质和形成机制不同。黑洞是由物质在极端条件下塌缩而成，而暗物质则是一种假设存在的新型物质，其具体构成和性质目前仍未完全了解。在宇宙中，黑洞和暗物质各自发挥着不同的角色。

宇宙中的各种物质：星云、黑洞和暗物质2. 黑洞：引力之谜

黑洞是宇宙中极为神秘的存在，它们的引力非常巨大，以至于在其事件视界内，任何物体，甚至连光都无法逃逸。这使得黑洞表面对外界观测是不可见的，因为光线无法从黑洞事件视界中逃离。黑洞形成于一颗质量极大的恒星死亡的过程中，当一个恒星质量足够大时，它在死亡过程中可能塌缩成一个极其紧凑和密集的对象，将原本在它周围运动的物质吞噬殆尽。黑洞的存在挑战着我们对引力和时空的理解，是宇宙中最为奇妙的现象之一。

1. 巧合一：星系

根据现代进化论，人类是

地球上最原始生命的演化

产物。然而，在 38 亿年前，地球上就已经存在生命，

这意味着智慧生物的出现

需要漫长的演化时间。如

果一个星系过于活跃，经

常发生高能事件，如“超新

星爆发”或“伽马射线暴”，生命就无法有足够的时间

演化成智慧生物。地球所

在的银河系是一个相对平

静的星系，高能事件罕有

发生，为生命的演化提供

了充分时间。

2. 巧合二：银河系中的位置

银河系中的恒星分布不均匀，

距离中心越近，恒星密度越高。

在密集区域，恒星之间的距离

过近，可能导致行星受到来自

周围恒星的辐射影响。而在稀

疏区域，缺乏足够的元素来演

化生命。人类所在的位置正好

处于适宜的区域，避免了这些

问题。

为什么地球是宇宙的“天选之子”？3. 巧合三：恒星的大小恒星的质量与寿命密切相关，太大的恒星寿命较短，而太小的恒星可能导致行星被潮汐锁定，气候混乱。太阳是一颗大小适中的恒星，提供了稳定的能量支持，使得地球有足够时间演化生命。

4. 巧合四：宜居带

所有已知的生命形式都需要液态水

的支持，这是因为水在化学和生物

学过程中扮演着关键的角色，提供

了理想的环境，使得生物分子可以

发挥其功能。在寻找适宜生命存在

的地方时，科学家关注的一个重要 6. 巧合六：地球的自身条件因素是宜居带。宜居带是指那些距 地球具有厚实的大气层和强大的磁离其主恒星既不太远，也不太近的 场，防御了外部威胁。适量的液态区域，能够维持水以液态存在。而令 水、有利的气候以及适度的陆地和人幸运的是，地球恰好位于太阳系 海洋面积，为地球上的生命提供了的宜居带内，这为我们的星球提供 5. 巧合五：木星和月球 良好的生存环境。了稳定的气温和大量的液态水资 木星作为巨大的行星在太阳系 正是因为上述的几大巧合，才让地源，为地球上极其丰富的生命形式 外侧运行，充当了天然的防护 球和人类成为了宇宙的“天选之提供了基础条件。这种理想的位置 屏障，减少了来自外部的小天 子”，我们也可以看到，人类的出现，不仅使水能够以液态存在，还有助 体对地球的威胁。月球的存在 真的是非常幸运。当然了，幸运是不于维持生态平衡和气候适宜，构成 影响了地球的潮汐现象和自转 可能一直持续下去的，所以人类未了地球成为宇宙中独特的生命之源 轴的稳定，为生命的演化提供 来在宇宙中的生存和发展，更值得的一个重要因素。 了良好的条件。 依靠的还是自己的实力。

让我们一起怀揣好奇心，勇敢面对未知，不断追寻星辰之谜，探索更为广阔的宇宙奇境。在这无尽的星海中，宇宙的奥秘永不止步，等待我们用探索的步伐去揭开更多的神秘面纱。通过持续的科学探索，我们或许能够解开更多谜题，洞悉宇宙更深层的奥秘，为人类的知识边界不断拓展，开启前所未有的科学冒险。愿我们的好奇心和勇气一直引领我们迈向更为神秘的宇宙之旅。在这次深入宇宙的探索中，我们只是触及了宇

宙浩瀚的表面。我们对宇宙的容量、起源、星星

的分类以及物质的多样性所掌握的知识只是冰

山一角，这个庞大而精彩的谜题仍然在等待我

们深入挖掘。未来，随着科学技术的不断发展，

我们将有机会更深入地理解宇宙的奥秘，揭示

更多隐藏在宇宙深层的奇妙现象。

宇宙的奥秘永不止步