錢磊 中國科學院FAST重點實驗室副研究員

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一、什么是宇宙的層級

四方上下曰宇，往古來今曰宙。宇宙說的是時空。層級指的是不同大小的結構。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構。宇宙里面也有這樣不同的結構。

我們要講的概念是可觀測宇宙。對于時空，我們產生了很多認識。比如，不同的宇宙模型里，宇宙可以是有限大小的、無限大小的，甚至有多重宇宙、平行宇宙。但是我們要講的是一個非常具體的、可以觀測的概念，即可觀測宇宙，也就是我們能看到的那部分宇宙。

為什么會有可觀測宇宙的概念？實際上，我們沒有辦法觀測到整個宇宙。原因在于，在標準宇宙學的認識里，宇宙的年齡是有限的。宇宙是從一個起點開始不斷演化、膨脹，到了今天的狀態(tài)。如果宇宙的年齡是有限的，那么，我們能觀測到的宇宙也是有限的。因為光速是有限的。

從宇宙誕生到現在，我們認為經歷了137億年。不管宇宙的年齡有多長，只要是一個有限的數字，那么我們所看到的這部分可觀測宇宙就是有限的。

真空中的光速，大概是30萬km/s。一個簡單的想法是，用宇宙的年齡乘以光速，大概就能知道可觀測宇宙的大小。但實際上，面對一個正在膨脹的宇宙，這樣簡單的計算，量級上是沒問題的，但是精確的數字會差一點。

可觀測宇宙的半徑約為465億光年。對于靜態(tài)宇宙，即假如宇宙從開始到現在沒有發(fā)生任何變化，那么，用光速乘以經歷的時間，確實可以知道可觀測宇宙的大小。但是問題就在于，宇宙在不斷膨脹，直接用光速乘以宇宙年齡，算出來會不準確。

另外，光年是一個距離單位，即光在一年的時間里，走了多少距離。在已知光速和一年的長度時，可以很容易地算出一個光年。但是人類對于這么大的數字其實沒有什么概念，即使我告訴大家可觀測宇宙的半徑是400多億光年，這個數字對于我來說其實也沒有特別明確的概念。所以我們需要講一講宇宙的層級，給大家一個大致的概念。

二、認識地月系和太陽系

我們可觀測的宇宙實際上只是整個宇宙的一小部分，這可能會令大家多少有點失望。雖然我們的觀測能力也有限，但這主要是受物理限制的。即便如此，我們可觀測的這部分宇宙其實已經非常大了。

接下來就從我們所在的地球，腳踏實地講起。地球是一個接近于球形的天體，赤道半徑是6378公里，極半徑稍微短一點，是6357公里?，F在普遍認為，這是由于地球自轉造成的，即地球自轉產生的離心力導致一定的形變。

總體而言，地球，顧名思義，是一個半徑接近6400公里的球。因為我們在地球上，可以比較方便地采用大地測量的方法，從而不僅可以知道地球是一個球，而且可以準確測量其半徑。舉一個生活中的現象，在海邊觀察那些進出港口的船只時，可以發(fā)現從遠處來到港口的船，是先看到其頂部而后看到船身；從港口離開的船，也是先看不到船身再看不到船頂的。這個現象也可證明地球表面不是平的，而是有弧度的。

我們往外看，地球有一個衛(wèi)星——月球。多數情況下，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，月球應為地球的1/3，而往往拍攝的圖片上月球并沒有很小。原因出在地球和月球之間的距離上。當拍攝圖片的探測器離月球較近時，月球就會看上去“大”了一點點。

我們經常會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，地球和月球都會變成非常小的兩個點，這樣就不方便我們觀察了。所以，通常情況下，我們都會把地球和月球畫大。但其實和它們的大小比起來，它們之間的距離非常遠。

那么，地球和月球的距離，我們是怎么測出來的呢？現在可以很方便地采用激光測距的方法。登月時將激光照到提前在地球上布置好的反射鏡上再反射回來，根據光的發(fā)出和返回時間就可以測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出月球的大小，這樣就不需要到月球表面采用大地測量的方法了。這是天文學研究中經常使用的辦法。把距離測出來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，我們看一個天上的東西，或者一個遠處的東西，很方便測出來的是它的角度。我們看到的所謂的遠處事物的大小，實際上都是它的角直徑或者角尺度。而只有測出距離才能將角尺度轉化成線尺度。所以，測量距離非常重要。

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

首先，從某種層面上來說，月球和太陽看起來是一樣大的，這個沒有問題。因為月球看起來是30個角分左右，太陽看起來也是差不多的角尺度。但是，從另一方面來說，即線尺度層面看，月球真實的大小和太陽真實的大小，是不是一樣大呢？顯然不一樣大，太陽會大很多。

其次，雖然不一樣大但是可以擋住太陽的原因在于距離。無論是從畫畫中，還是從日常生活中，我們都可以得到的一個經驗是近大遠小。一個東西，放到近處，看起來很大，放到遠處，看起來就小了。這個“大”和“小”指的是什么呢？指的其實就是角尺度。比如，我的手離眼睛越近，看起來張角越大，離眼睛越遠，張角就越小。所以，這個地方的大小指的是角尺度，而不是真實尺度。

那么，回到剛才說的日食，月球的大小和太陽的大小指的是角尺度。在天文學中，真實尺度與距離可以相互推算。如果知道一個物體的真實大小，并可以將其放到不同遠近的位置，測量出角尺度，便可以得出距離。同理，當已知一個天體的大小及其角尺度，便可得出我們與其的距離。這是天文學中另一種測距的方法。不過這種方法會受到很多限制，因為通常情況下我們不會先知道某個天體的真實大小。但是在某些特殊情況下，如果知道了某個天體的大小，就可以倒過來推出距離。