錢磊 中國(guó)科學(xué)院FAST重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員

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一、什么是宇宙的層級(jí)

四方上下曰宇，往古來(lái)今曰宙。宇宙說(shuō)的是時(shí)空。層級(jí)指的是不同大小的結(jié)構(gòu)。比如，地球上有各大洲，不同的大洲上面有高原、平原、山地、丘陵等不同大小的結(jié)構(gòu)。宇宙里面也有這樣不同的結(jié)構(gòu)。

我們要講的概念是可觀測(cè)宇宙。對(duì)于時(shí)空，我們產(chǎn)生了很多認(rèn)識(shí)。比如，不同的宇宙模型里，宇宙可以是有限大小的、無(wú)限大小的，甚至有多重宇宙、平行宇宙。但是我們要講的是一個(gè)非常具體的、可以觀測(cè)的概念，即可觀測(cè)宇宙，也就是我們能看到的那部分宇宙。

為什么會(huì)有可觀測(cè)宇宙的概念？實(shí)際上，我們沒(méi)有辦法觀測(cè)到整個(gè)宇宙。原因在于，在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)的認(rèn)識(shí)里，宇宙的年齡是有限的。宇宙是從一個(gè)起點(diǎn)開(kāi)始不斷演化、膨脹，到了今天的狀態(tài)。如果宇宙的年齡是有限的，那么，我們能觀測(cè)到的宇宙也是有限的。因?yàn)楣馑偈怯邢薜摹?/p>

從宇宙誕生到現(xiàn)在，我們認(rèn)為經(jīng)歷了137億年。不管宇宙的年齡有多長(zhǎng)，只要是一個(gè)有限的數(shù)字，那么我們所看到的這部分可觀測(cè)宇宙就是有限的。

真空中的光速，大概是30萬(wàn)km/s。一個(gè)簡(jiǎn)單的想法是，用宇宙的年齡乘以光速，大概就能知道可觀測(cè)宇宙的大小。但實(shí)際上，面對(duì)一個(gè)正在膨脹的宇宙，這樣簡(jiǎn)單的計(jì)算，量級(jí)上是沒(méi)問(wèn)題的，但是精確的數(shù)字會(huì)差一點(diǎn)。

可觀測(cè)宇宙的半徑約為465億光年。對(duì)于靜態(tài)宇宙，即假如宇宙從開(kāi)始到現(xiàn)在沒(méi)有發(fā)生任何變化，那么，用光速乘以經(jīng)歷的時(shí)間，確實(shí)可以知道可觀測(cè)宇宙的大小。但是問(wèn)題就在于，宇宙在不斷膨脹，直接用光速乘以宇宙年齡，算出來(lái)會(huì)不準(zhǔn)確。

另外，光年是一個(gè)距離單位，即光在一年的時(shí)間里，走了多少距離。在已知光速和一年的長(zhǎng)度時(shí)，可以很容易地算出一個(gè)光年。但是人類對(duì)于這么大的數(shù)字其實(shí)沒(méi)有什么概念，即使我告訴大家可觀測(cè)宇宙的半徑是400多億光年，這個(gè)數(shù)字對(duì)于我來(lái)說(shuō)其實(shí)也沒(méi)有特別明確的概念。所以我們需要講一講宇宙的層級(jí)，給大家一個(gè)大致的概念。

二、認(rèn)識(shí)地月系和太陽(yáng)系

我們可觀測(cè)的宇宙實(shí)際上只是整個(gè)宇宙的一小部分，這可能會(huì)令大家多少有點(diǎn)失望。雖然我們的觀測(cè)能力也有限，但這主要是受物理限制的。即便如此，我們可觀測(cè)的這部分宇宙其實(shí)已經(jīng)非常大了。

接下來(lái)就從我們所在的地球，腳踏實(shí)地講起。地球是一個(gè)接近于球形的天體，赤道半徑是6378公里，極半徑稍微短一點(diǎn)，是6357公里。現(xiàn)在普遍認(rèn)為，這是由于地球自轉(zhuǎn)造成的，即地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力導(dǎo)致一定的形變。

總體而言，地球，顧名思義，是一個(gè)半徑接近6400公里的球。因?yàn)槲覀冊(cè)诘厍蛏?，可以比較方便地采用大地測(cè)量的方法，從而不僅可以知道地球是一個(gè)球，而且可以準(zhǔn)確測(cè)量其半徑。舉一個(gè)生活中的現(xiàn)象，在海邊觀察那些進(jìn)出港口的船只時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)從遠(yuǎn)處來(lái)到港口的船，是先看到其頂部而后看到船身；從港口離開(kāi)的船，也是先看不到船身再看不到船頂?shù)?。這個(gè)現(xiàn)象也可證明地球表面不是平的，而是有弧度的。

我們往外看，地球有一個(gè)衛(wèi)星——月球。多數(shù)情況下，我們都可以在晚上看到月球。但是月球有多大呢？月球的半徑是1738公里。剛才我們提到地球的半徑是近6400公里，按比例，月球應(yīng)為地球的1/3，而往往拍攝的圖片上月球并沒(méi)有很小。原因出在地球和月球之間的距離上。當(dāng)拍攝圖片的探測(cè)器離月球較近時(shí)，月球就會(huì)看上去“大”了一點(diǎn)點(diǎn)。

我們經(jīng)常會(huì)把地球和月球放在一張圖上，并畫一條線指明中間的距離是38萬(wàn)千米。但是這種圖是不成比例的，如果按比例畫，地球和月球都會(huì)變成非常小的兩個(gè)點(diǎn)，這樣就不方便我們觀察了。所以，通常情況下，我們都會(huì)把地球和月球畫大。但其實(shí)和它們的大小比起來(lái)，它們之間的距離非常遠(yuǎn)。

那么，地球和月球的距離，我們是怎么測(cè)出來(lái)的呢？現(xiàn)在可以很方便地采用激光測(cè)距的方法。登月時(shí)將激光照到提前在地球上布置好的反射鏡上再反射回來(lái)，根據(jù)光的發(fā)出和返回時(shí)間就可以測(cè)出地球和月球之間比較精確的距離。

知道了距離有什么好處呢？知道了距離就可以很方便地測(cè)出月球的大小，這樣就不需要到月球表面采用大地測(cè)量的方法了。這是天文學(xué)研究中經(jīng)常使用的辦法。把距離測(cè)出來(lái)以后就可以知道天體的很多信息，比如天體的大小。原因在于，我們看一個(gè)天上的東西，或者一個(gè)遠(yuǎn)處的東西，很方便測(cè)出來(lái)的是它的角度。我們看到的所謂的遠(yuǎn)處事物的大小，實(shí)際上都是它的角直徑或者角尺度。而只有測(cè)出距離才能將角尺度轉(zhuǎn)化成線尺度。所以，測(cè)量距離非常重要。

很多同學(xué)可能都知道日食，日食就是月亮把太陽(yáng)擋住了，其中日全食就是月球幾乎把太陽(yáng)全都擋住了。從這個(gè)事實(shí)出發(fā)，可以想到一個(gè)什么事呢？比如，我們可以提的一個(gè)問(wèn)題就是，難道月球和太陽(yáng)是一樣大的嗎？如果不一樣大，為什么月球可以把太陽(yáng)擋住呢？

首先，從某種層面上來(lái)說(shuō)，月球和太陽(yáng)看起來(lái)是一樣大的，這個(gè)沒(méi)有問(wèn)題。因?yàn)樵虑蚩雌饋?lái)是30個(gè)角分左右，太陽(yáng)看起來(lái)也是差不多的角尺度。但是，從另一方面來(lái)說(shuō)，即線尺度層面看，月球真實(shí)的大小和太陽(yáng)真實(shí)的大小，是不是一樣大呢？顯然不一樣大，太陽(yáng)會(huì)大很多。

其次，雖然不一樣大但是可以擋住太陽(yáng)的原因在于距離。無(wú)論是從畫畫中，還是從日常生活中，我們都可以得到的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)是近大遠(yuǎn)小。一個(gè)東西，放到近處，看起來(lái)很大，放到遠(yuǎn)處，看起來(lái)就小了。這個(gè)“大”和“小”指的是什么呢？指的其實(shí)就是角尺度。比如，我的手離眼睛越近，看起來(lái)張角越大，離眼睛越遠(yuǎn)，張角就越小。所以，這個(gè)地方的大小指的是角尺度，而不是真實(shí)尺度。

那么，回到剛才說(shuō)的日食，月球的大小和太陽(yáng)的大小指的是角尺度。在天文學(xué)中，真實(shí)尺度與距離可以相互推算。如果知道一個(gè)物體的真實(shí)大小，并可以將其放到不同遠(yuǎn)近的位置，測(cè)量出角尺度，便可以得出距離。同理，當(dāng)已知一個(gè)天體的大小及其角尺度，便可得出我們與其的距離。這是天文學(xué)中另一種測(cè)距的方法。不過(guò)這種方法會(huì)受到很多限制，因?yàn)橥ǔＧ闆r下我們不會(huì)先知道某個(gè)天體的真實(shí)大小。但是在某些特殊情況下，如果知道了某個(gè)天體的大小，就可以倒過(guò)來(lái)推出距離。