第一章　宇宙與星系

隨著一次神妙難測的巨大爆炸，時間開始了——對講故事來說，這通常是一個很好的開頭。然而遲至上個世紀，我們才搞明白這個最初的時刻到底標志著宇宙的還是地球的誕生。誠然，猶太教和基督教的《圣經》是這么開頭的：“起初，神創造天地。”而創世的確切時間，17世紀愛爾蘭的詹姆斯·烏雪（James Ussher）主教就已確認，乃公元前4004年的10月23日。

但就在烏雪主教的著作問世前不久，文藝復興時期的一些重要哲人就已經有了“時間并無起點”這樣的觀點，其中最有名的要數布魯諾——16世紀意大利學者、多米尼加派僧侶，其名聲很大程度上來自他的殉難。哥白尼認為地球并非宇宙中心，而是繞太陽旋轉，這觀點在當時實屬離經叛道。布魯諾對此不但大表贊同，還進一步提出太陽也僅僅是夜空萬千繁星之一，而它們每一顆都有自己的行星。這個故事最值得留意的是，布魯諾相信宇宙亙古未變，且無始無終，無邊無沿。在歐洲學者中，布魯諾并非持有這些觀點的第一人，但仍被天主教廷斥為異端邪說（連同他更褻瀆宗教的觀點，諸如質疑基督神性、圣餐變體論等）。他最終在威尼斯被捕受審，并引渡到羅馬再次受審。布魯諾性子沖動，又愛嘲諷挖苦，他一如既往地拒絕公開宣布放棄自己的著作，除非教宗或上帝自己來告訴他他錯了。1600年的2月17日即大齋首日，布魯諾在羅馬鮮花廣場被處以火刑。而今，他的一座雕像在此矗立，對滿街咖啡館里興高采烈的游客怒目而視。

幸好，科學家因言獲罪而在火刑柱上被燒死這種事后來極少發生——至少照字面來說是如此。我和一位同事有一次到訪羅馬，站在布魯諾氣派的雕像下捫心自問：我們會像布魯諾受審33年后的伽利略那樣，在死刑的威脅下公開宣布放棄自己的科學著作嗎？在短暫沉默之后我們（無可否認地）爆發了一陣大笑，一致同意我們眨眼之間就會放棄。先不管我們共有的膽小怯懦，也不管為了我們從來無人問津的論文獻身的這個想法，單是考慮我們站在了事后諸葛亮的位置就足夠了——我們知道錯誤的科學將與始作俑者一起“身與名俱滅”，正確的則會“江河萬古流”。要是我們一死，我們的科學觀點即告終結，那大概也算它“罪有應得”。然而布魯諾確實以生命為自己的信念獻祭，成為我們最具聲望的科學殉道者之一。最終，我們承認他的觀點有驚人的預見性，尤其是他認為地球只是萬千世界之一，圍繞著廣闊而古老的宇宙中萬千星辰之一旋轉。

然而，布魯諾關于宇宙無始無終、無邊無沿的觀點卻是錯的，時間確實有一個起點。對這一事實，最簡單的證據就是夜空的黑暗：如果我們生活的宇宙真的無始無終、無邊無沿，那夜空的每一個方向都會在某處有一顆星星，而且每一顆星星發出的光芒都會有充裕的時間抵達地球；因此，整個夜空應該完全被星光照亮才對。這一夜空佯謬盡管早就由德國數學家約翰內斯·開普勒（Johannes Kepler）和英國學者托馬斯·迪格斯（Thomas Digges，與布魯諾同時代的人）提出，卻是以晚得多的18—19世紀的德國天文學家海因里希·奧伯斯（Heinrich Wilhelm Olbers）命名。奧伯斯佯謬的謎底，后來由19—20世紀的英國物理學家威廉·湯姆森（William Thomson，又名開爾文男爵）揭開，甚至美國作家愛倫·坡也曾做出推斷：宇宙要么年齡有限，因此遙遠星球的光芒還沒來得及抵達地球；要么空間有限，因此星辰并非無處不有；要么二者都成立。這意味著宇宙是從過去某個時刻肇始且（或）并非同時在所有地方發生，因而成為最終引出大爆炸假說的最早和最重要線索之一。

20世紀20年代，美國天文學家埃德溫·哈勃應用天文望遠鏡的觀測資料證明，在我們的銀河系之外，還有很多星系。在此之前人們一直以為銀河系就是我們有限而靜止的宇宙的全部了。哈勃利用一種名為“造父變星”（Cepheid variables）的脈動變星推算星系間的距離。造父變星的脈動周期（兩次脈動的間隔時長）與平均光度（以光的形式釋放的總功率）有直接關聯，這一特性使之成為測算距離的重要標尺。脈沖周期相同的兩顆造父變星具有同樣的光度，所以如果一顆看起來比另一顆更暗淡，它也就更遠，而變暗效應的程度與距離的平方直接相關，這就提供了測定的可能。因此，造父變星給出了它們所在星系到我們的距離。哈勃同時發現，平均而言，隨著距離的增加，星系發出的光有漸增的紅移現象。在可見光中，紅光具有最大的波長和周期。光的紅移類似聲波的偏移，例如當救護車駛離我們時，警報器的音調會下降（頻率降低，或周期與波長拉長）。星系中光的紅移現象表明，離我們越遠的星系在越快地離開我們，也就是說星系在普遍地彼此遠離，向外擴張。

甚至在哈勃觀測到總體上所有星系都在彼此遠離之前，比利時天文學家喬治·勒梅特（Georges Lema?tre）以及俄羅斯物理學家、數學家亞歷山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）就已各自獨立推算出宇宙正在膨脹。他們的計算都運用了愛因斯坦的廣義相對論，然而愛因斯坦本人起初卻并不認同他們的結論（后來才承認他們是正確的）。而哈勃的觀測為他們的觀點提供了佐證。

如果膨脹宇宙具有有限的時間和空間，那么將膨脹倒序回放，宇宙的全部質量和能量最初就是濃縮在一個小得多也熱得多的體積中，勒梅特稱之為“宇宙蛋”。在宇宙最初時刻的這一擴張，被劍橋大學天文學家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）不無貶損地始稱為“大爆炸”，實際上他反感這個想法。這個名字留了下來，但“爆炸”一詞并不完全準確，盡管我在本章開頭也用了同樣的表述。普遍意義上的爆炸意味著有高壓氣體從低壓氣體中分離出來，向外形成沖擊波，然而最初的壓縮宇宙的質量與能量也包括全部空間都在這小小的體積中，并無空間供它去爆炸。宇宙膨脹時，是與它的空間邊界一起膨脹，在邊界之外并沒有光、物質、能量或是時間的概念，這憑直覺可能很難想象出來。

到20世紀60年代，美國科學家阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）發現了宇宙微波背景輻射，就是彌漫在整個宇宙中的一種無線電噪聲。這一發現表明宇宙真空并非完全死寂（溫度和能量均為零），而是充滿了“舒適宜人的”3K（-270℃）微波。這種殘留的熱量，正是大爆炸之后宇宙一度處于更高溫度狀態的證據。

大爆炸理論使得簡單推算宇宙年齡成為可能，或者僅僅運用目前宇宙膨脹的觀測資料也夠了。要計算總的時間，就需假定宇宙以估算的膨脹率（稱為哈勃常數）從很小的體積增長到今天，宇宙空間也隨之冷卻到3K的溫度。據此我們可推算，宇宙年齡約為140億年（有大約10億年的出入）。這一簡單推算通過對宇宙最古老星體的天文觀測得到了極好的證明，這類星體通常都很小，燃燒極為緩慢（詳見下章）。它們在大爆炸之后幾億年才誕生，因而由此估算出的宇宙年齡會偏低。目前對宇宙年齡的最可靠估算是138億年。

大爆炸理論絕不僅僅是在講述宇宙如何從很小的一點變成今天的巨大尺寸。從大爆炸初始狀態開始的一連串事件，掌控著物質的性質及宇宙的結構。簡單說來，在大爆炸之后緊跟著的幾微秒（1微秒即百萬之一秒）到1分鐘之內，發生了很多事情。在我們展開細節之前，可以回想一下最初的宇宙是如此的致密和熾熱，只是一個極小的有巨大純能量的球體，而隨著它膨脹和冷卻，各種形態的物質、能量乃至自然作用力都從中凝結而出，這一過程可大致想象為水蒸氣的冷卻，先從氣態變成液態水，再從水變成固態冰。每一步都有新形態的物質生成（氣態、液態或固態），這就是相變。只是這些發生在宇宙誕生最初幾個瞬間的變化要遠比相變奇異，而我們對作為起點的最初狀態也還談不上有充分的認識。

一般認為，在大爆炸開始的第一個瞬間，溫度非常之高，因而壓力也非常之高，因此宇宙也就僅容納了唯一一種形式的極高能量，存身于無法想象的極小體積內，遠遠小于一個原子甚至亞原子粒子。這一狀態延續了最早的10–43秒。（以下供參考：10–2等于0.01，而10–43就是1與前面小數點之間隔著42個0。）這段時間被稱為普朗克時期，以公認的量子力學之父、20世紀德國物理學家馬克斯·普朗克（Max Planck）命名。在這段時期（這兒我得指出，宇宙學家異想天開地征用了“時期”這樣的術語，這會把絕大多數地質學家逼瘋）*，自然界的基本作用力也僅有一種形式。具體來說，作用力涉及粒子交換，比如廚房磁力貼就是通過交換名為光子的粒子吸附在你的冰箱上，而光子就是傳遞電磁力的光粒子。如今其他作用力各有不同的“傳遞者”，但在普朗克時期如果所有的傳遞粒子都一模一樣，那所有的作用力也就都一樣。這個初始單一作用力的概念，正是理論物理學家長久以來苦苦尋覓的“統一場論”或稱“萬物理論”。目前，還難以實現僅用一個理論就解釋清楚如何統一引力（使我們留在地球上的力）與其他三種基本作用力——電磁力（即電荷之間的作用力，也包括磁力）、強力及弱力（二者決定亞原子粒子如何結合在原子核中）。物理學的整個領域，諸如弦論、圈量子引力論?，都在試圖敲開這枚難搞的堅果。統一除引力外的另三種作用力的嘗試，在理論上和實驗上都取得了很大進展，這就是所謂的大統一理論（Grand Unified Theory），與被稱為標準模型的“近乎萬物”（除開引力的萬物）理論異曲同工。希格斯粒子或者叫玻色子（以英國物理學家彼得·希格斯命名）的發現為標準模型帶來了開創性的確證，并原則上解釋了是什么讓物質具有了質量這一特性（讓某些物體更難被移動的“慣性質量”，就要歸功于無處不在的希格斯場對粒子的拖拽）。

一不留神離題了。讓我們回到真正的核心，也就是對普朗克時期的宇宙自身究竟是什么狀態，我們還所知甚少。而關于宇宙究竟如何抵達這個原點，此前又是什么樣子，我們同樣不甚了了。無論如何，在普朗克時期結束時，被牢牢束縛的小小宇宙并不穩定，而大爆炸就這樣開始了。

宇宙接下來的10–35秒真可以算作大爆炸中的“爆炸”期，這段極短的時間發生了極速膨脹，因而叫暴脹時期。暴脹使宇宙的體積增加了許多許多個數量級（大約1070倍），雖說在尺寸上只是變成了幾米的大小，還不怎么大，但膨脹的速度可是光速的許多倍。?膨脹被認為是由能量的釋放所驅動，這能量僅有一種形式，儲存在單一的作用力場中，噴薄而出的能量則成為接下來已知宇宙的物質和能量的來源。

極速膨脹之所以會成為大爆炸故事不可或缺的一部分，是因為要是沒有它，對宇宙微波背景輻射（前面提到過的彌漫整個宇宙的無線電波雜音）的基本觀測就難以解釋。比如說，既然宇宙所有空間在近140億年之后看起來都還有幾乎相同的溫度，宇宙不同方向相距遙遠的各個盡頭就必然彼此有過長期的接觸并維持到了足夠大的尺寸，在后續膨脹中才能以相同的溫度各奔前程。若是從時間原點起它們從未彼此接觸，那就很難理解為什么它們現在都具有同樣的溫度。極速膨脹使宇宙得以快速擁有小而有限的體積，于是宇宙的各部分在各奔前程之前，都能達到相同的溫度。

暴脹時期之后，釋放的能量擴散，密度降低到了一個恰好的程度，從中凝結出了物質。能量可以轉換成物質，根據的是愛因斯坦少數幾個人們耳熟能詳的方程之一：E=mc2，其中E代表能量，m是轉換而成的物質質量，c則代表光速。最早出現的物質主要以亞—亞原子尺度粒子（sub-subatomic）夸克的形態呈現為夸克湯§，這是構建質子和中子的基礎材料，而質子和中子又一起構建了原子核。這時仍有為數眾多的純能量以光子的形態存在，同時還有通常稱作輕子的物質微粒，數量上比前者要少得多。輕子包括電子和中微子，電子是一種帶負電的小粒子，繞原子核旋轉，在電線中形成電流的也是它。中微子則數量極少，呈電中性，此時就正在飛速穿過你的身體，而你毫無覺察。大體上說，輕子的界定，部分是基于它們不能合并產生原子核。

故事進行到這里時，宇宙的溫度仍然太高，夸克還不能彼此結合。但在接下來的10-5秒中，有更多事情發生。物質和所謂反物質（比如電子的反物質是正電子，與電子質量相同而所帶電荷相反）以幾乎相等的數量存在。物質與反物質一旦接觸就會一起湮滅，只能共存極短暫的時間。湮滅會釋放出更多能量，但也會留下“少”量的常規物質，其數量略微豐富些，因而存留至今。被認為是宇宙質量最主要存在形式的暗物質（詳見下文），也很可能是在此期間產生的。這段時期的最后階段則涉及夸克的結合，那時候溫度已經足夠低到夸克終于能彼此結合產生質子和中子了，但對中子與質子結合為原子核的過程來說還是過高，更不必說生成完整的原子了。由于質子和中子一般被叫作強子，10-5秒期間的這一最后階段就稱為強子時期。

在這10-5秒過后，溫度仍然很高，光子也仍具有充足的能量，因此可以將能量轉變為物質，并繼續生成輕子。但在1秒之后，環境冷卻，輕子不再生成。這期間生成的輕子數量，差不多就是存留至今的量（除了那些后來由核反應生成的輕子），因此10-5秒到1秒這段時間就稱為輕子時期。

在1秒后直到約100秒的期間，宇宙冷卻到了能讓中子與質子結合生成第1個原子核的溫度。但自由中子本身并不穩定，傾向于衰變成1個電子和1個質子。于是到100秒時，剩下的中子就不算多了，在每16個強子中，只有2個是中子，另外14個全是質子。在這16個強子中，2個中子將與2個質子相結合，組成1個氦原子核，剩下的12個質子，則每個都形成1個氫原子核。這樣一來，在正常的宇宙質量中，大約有25%是氦（每16個強子中的4個以氦的形式存在），而剩下的是氫（每16個強子中的12個以氫的形式存在）。實際上，也還生成了少量的其他物質，比如鋰以及更重的氫（氫的同位素，例如氘，在原子核中有中子和質子各一），但因為環境冷卻太快而無法形成更多，它們的數量也就極少。到今天宇宙的質量組成仍與此相同，即約75%的氫、25%的氦，以及少許更重的元素（詳見下文），這樣的成分組成結構是關于大爆炸理論可供進一步檢驗的預測（而且之后也確實得以成功檢驗）。

在接下來的10萬年中，宇宙溫度仍然太高，原子核無法俘獲電子形成完整的原子。物質和光子能量的密度也仍然太大，于是彼此卡住，動彈不得。這就是說，物質太致密，光無法穿透；能量也太高，物質無法凝結起來，原子核和電子只能保持分散。由于這期間的宇宙整個沐浴在光子中，人們通常稱之為輻射時期。

到大約10萬年時，物質和光子的密度都降低到了光能從中逃逸的地步。到大約38萬年時，溫度則降到允許原子核與電子結合形成原子，這就開啟了我們基本上至今仍身處其中的物質時期。這一最后的結合也釋放了大量的能量，殘留下的就是暗淡的宇宙微波背景輻射。最后的核結合及能量釋放也攜帶了在暴脹時期之后各向均一、略有漲落的夸克湯的跡象，因此宇宙微波背景輻射的這種有輕微漲落的均一性模式，如今被認為是宇宙第一個指紋劇烈擴張的一絲反映。

輻射時期的光逃逸一空，以及原子結合的能量井噴后，宇宙在接下來的3億年里陷入了黑暗，這就是黑暗時期。簡而言之，宇宙溫度降得太低，而物質也稀釋得太厲害，再也沒有什么東西能發光了。

在黑暗時期末期，氫氦混合氣體中輕微的密度漲落導致了指向高密度區域的引力，也就使這個區域能吸引更多物質。更多的物質又進一步使密度漲落更大，又吸引更多物質，如此往復，就形成了第一批巨型星云形式的引力束縛結構。在這些氣態的星云中，那些最大的第一代恒星誕生了。

第一代恒星應當僅由氫與氦組成，它們的亮相標志著黑暗時代的結束，時間在大爆炸之后3億年。那些最大的第一代恒星誕生而又復歸死亡，創造出更重的物質（詳見下章），其他較小的恒星則由巨大星云的驅動而形成，并因引力束縛而集結，從而有了第一批真正的星系，這一過程在大爆炸之后的10億—30億年達到鼎盛。盡管總體而言宇宙中的星系在膨脹中彼此遠離，但它們并非完全自由地飄蕩，其中一些會因為彼此的引力束縛而形成星系團。星系團在引力下形成纖維狀結構。這些纖維組成的網是宇宙中最大的結構，纖維之間則是空洞?。這樣的結構充斥著宇宙。

我們自己的星系——銀河系，就是由仙女座星系的引力束縛著（在遙遠的將來它們甚至會相撞），而它們也都是室女座星系團中的大型星系，后者又是更大的拉尼亞凱亞超星系團的一部分。不過在大爆炸之后10億年的第一批星系形成之后，可能又花了10億到20億年才形成這些星系團和纖維狀結構。

今天的星系在大小和形狀上并不一致，但輪廓也并非完全隨機。最大的那些星系呈橢圓形，組成為球體的恒星們以隨機的軌道方向繞星系中心旋轉。更為常見的是圓盤狀、螺旋形、有旋臂結構的星系，它們盤面扁平，看起來在繞質量中心旋轉，例如銀河系或仙女星系。實際上，由布滿氣體和恒星的巨大星云形成的旋轉的星系本來會坍縮，但旋轉阻止了垂直于旋轉軸線的坍縮，倒是允許平行于軸線的“跌落”，這就形成了扁平盤狀結構（與太陽系的形成類似，后面我們將展開討論）。在太陽系這樣的系統中，坍縮星云的中心通常擁有更多質量，對一個太陽系來說這就是恒星。而在星系中，中心擁有過多質量，因而會形成超大質量的黑洞，它的質量和密度是如此之大，甚至連靠太近的光都無法逃出它的引力。

典型的星系直徑約為10萬光年。（1光年即光在1年中走過的距離，約1013千米，也就是10萬億千米。作為比較，太陽系中最遠的行星海王星，與太陽的距離約為45億千米，不及1光年的1/2000。）我們的銀河系有數千億顆恒星。然而某些方面的證據表明，已觀測到的星系質量只是星系總質量的一小部分，尚有大量看不見的質量存在于星系中，人們恰如其分地稱之為暗物質。

20世紀60年代，美國天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin）和同事們發現，位于圓盤狀星系的螺旋和旋臂中的絕大部分恒星，繞星系中心旋轉的速度幾乎都是一樣的，而與它們到星系中心的距離無關，這與我們的行星圍繞太陽旋轉的方式截然不同——太陽系行星的軌道速度隨著與太陽距離的增加而遞減，這是因為僅有太陽引力將它們固定在軌道上，而引力隨距離減小（這樣的軌道叫開普勒軌道，以開普勒及其行星運動定律命名）。絕大部分恒星的軌道速度一致，這表明，距離星系中心越遠，其軌道內就有越大的質量提供引力，將其束縛在星系中。但是，讓恒星這樣旋轉所需的總質量，遠大于觀測到的正常星系質量，這就說明可能存在暗物質，提供了所需的其他質量。

天文學家同樣注意到，如果星系質量僅由可觀測到的恒星組成，星系團內不同星系的相對速度就比引力所能束縛住的速度要快得多。也就是說，星系團能保持穩定、不四下飛散的唯一原因是，存在比可觀測質量多得多的質量來束縛它們。關于暗物質還有各種各樣的其他證據，比如引力透鏡效應，指的是當光線經過質量巨大的天體如星系團時，路徑會發生彎曲。

這種將星系和星系團固定住的看不見的暗物質，在電磁波的任何波段（從微波到紅外再到紫外）都檢測不到。但近年來，天文學家不得不得出結論，宇宙中的物質有相當大的一部分都是暗物質，而最早星系的組成也被認為其中的暗物質成分要多于氫和氦。由于對暗物質的存在只能間接探測，其基本組成仍然是一個謎。

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既然從大爆炸以來宇宙就一直在向外膨脹，自然就會有這樣一個關于未來的問題：膨脹是會在引力的作用下慢下來，但憑著充足的初始爆炸能量仍能一直持續，還是說它總有一天會精疲力竭，在引力的作用下宇宙將向內坍縮回到中心？最近的發現表明這兩種設想都大錯特錯，宇宙的膨脹正在加速。在這之前，引力被認為是僅有的長程力，并且在質量的吸引下會造成宇宙膨脹的減速（或可能的坍縮）。加速膨脹的結論實在出人意料，因而為另一種迄今為止尚未探測到的作用力提供了證據。這種作用力產生于一種名為“暗能量”的能量場，最終提供了使宇宙膨脹得更快的推動力。（暗物質和暗能量都叫“暗”，這并不是說二者相關，只不過它們都無法用光探測到。）暗能量是一種超長程的作用力，只在跨越超星系團的尺度上發揮作用，也只有當宇宙膨脹到足夠大時才變得重要。據推斷，直到約40億年前，也就是我們的太陽系都已經形成之后，暗能量才超過引力成為支配力量，并造成了宇宙的加速膨脹。這種膨脹在某種意義上就好比是，宇宙填充著一個逐漸傾斜的浴缸，當水即將溢出邊緣，轉向另一側傾瀉而下。

考慮到被暗能量覆蓋的宇宙體積，人們推斷宇宙（物質和能量的總和）絕大部分都是暗能量，大約占到70%，而暗物質則占約25%。在剩下的5%的普通原子物質中，誕生了恒星、行星乃至你我，盡管這類物質的絕大部分仍然是氫和氦的形態。然而暗物質和暗能量僅僅在星系和星系團的尺度上才可知曉，這不是我們人類能感覺、能確實體驗或是憑直覺能形成概念的尺度。重力基本是我們能時時切身感知并在起床、爬樓梯、倒咖啡等等日常中駕馭的唯一作用力。但是如果我們跟小蟲子或微生物一樣大小，我們的生活就將更多被電磁力支配，比如因電磁力而產生的靜電效應，比如水的表面張力。我們將發現重力不再那么重要甚至幾乎注意不到了，螞蟻爬墻幾乎不會被重力阻滯，從高樓上掉下也不會受重力影響。與此類似，對于感知暗物質和暗能量而言，我們降到了小蟲子的尺度。

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*“普朗克時期”的英文有兩種表達：Planck epoch、Planck era。在地質學術語中，epoch和era有不同的層級位置。地質年代時間術語，由大到小依次是宙（eon）、代（era）、紀（period）、世（epoch）、期（age）、時（chron）。比如，今天的人類生活在顯生宙新生代第四紀全新世。——編者注

?“弦論”是理論物理學的一支，將量子力學和廣義相對論結合為最終的萬物理論。弦理論以一段段“能量弦線”為最基本單位，來說明宇宙里所有微觀粒子如電子、質子及夸克都由這一維的“能量線”所組成。“圈量子引力論”與弦論同是當今將引力量子化最成功的理論。——譯者注

?按相對論，信息和能量在空間中的運動不能超光速，但是宇宙膨脹是空間本身在膨脹，因而不受光速約束。——編者注

§夸克湯：粒子物理學的“標準模型”認為，在超過1萬億攝氏度的溫度下，質子和中子也會“熔化”，變成夸克和膠子組成的等離子體，這種夸克—膠子等離子體就是“夸克湯”。——譯者注

?空洞：天文學里，空洞指的是纖維狀結構之間的空間，二者均為宇宙組成中最大尺度的結構。一個典型的空洞直徑大約為11至150個百萬秒差距（1個百萬秒差距等于3261600光年），其中只包含很少或完全不包含任何星系。——譯者注