宇宙简史——天有多高

1.前言

在地球上，我们总是会问天有多高，其实我们看到的云多半也就是在对流层即8-17千米，而民航飞机则是在17-55千米的平流层飞行，这也是为什么当我们去坐飞机的时候，软软的云都是在我们的下面。但是，我们这是在讨论宇宙，那么这里所谓的天有多高的另一个说法，就是宇宙有多大。

2.测量方法

在地球上，天有多高，都是我们真真切切的飞行飞到那个高度，然后证明了确实有那么高。但是对于宇宙来说，我们的可运动的范围实在是太过于狭小，超出地球的部分的距离我们都很难实际移动到那。尽管现在有了激光测距，那也最多可以测量到月球的距离，再远的话，所损耗的能量也是惊人的。但是从古代开始，我们人类探索宇宙的大小的脚步就从未停止。

2.1 三角测距法

三角测距法来源于我们日常生活，它的测距方式则是以一段位移作为基线，以一个直角为参考坐标，就可以测量一个我们不能达到的距离。具体来讲，就是根据直角三角形三边的长度之间的关系。

这样，就使得我们可以测量我们到达不了的地方的距离了。
早在公元前200-300年的古希腊第一位真正的天文学家利斯塔克就利用这种方式来测量地球、月球、太阳之间的距离。这是最早的日心说，比哥白尼的日心说要早上很多，但是由于它的思想在当时看来实在是太过先进，以至于没有得到主流的认同，因此很多成果没有遗留下来。就他测算的结果可知，日地距离:地月距离=20:1。尽管这个精度我们现在无法认为是对的，但是它开创了人类对于宇宙距离的衡量的先河。
而我们人类使用这个方法能达到的最精准的测算，无怪乎使用地球在相隔半年的时间，即地球公转轨道的直径，我们称为周年视差。而贝塞尔则是在1838年第一次观察到了太阳系外的天鹅座61的距离，当时测算为10.4光年（实际距离11.4光年）。

2.2标准烛光法

前面介绍的三角测距法的精度是有限的，源于我们的尺子长度是有限的，如果还想测量更加精确，更加遥远的恒星的距离，这时候依靠这种级别的工具是不行了。于是，还是曾经的哈佛大学那帮人中，又出现了一个叫做列维特的人，她发现了造父变星，这种光度与大小有着脉动周期的红巨星，被我们称为是宇宙中的标准烛光。因为他发现，脉动周期与光度存在着比例关系。
以我们之前的了解：
$$亮度=\frac{光度}{4\times \pi \times 距{离}^2}$$
那么知道了脉动周期，就可以知道光度，知道光度就可以知道亮度，知道亮度就知道了距离。

有了这样的一个强有力的工具，我们的眼光终于就可以探索到太阳系之外了。这时候从赫歇尔开始，对于银河系结构就有了探索的兴趣。据他使用标准烛光法的测算，银河系的大小为64001300光年左右，这个大小只有真正银河系大小的5%。后来卡普坦重新测算，认为银河系大小为5万1万光年左右。他们俩无一例外的都把太阳定位在了银河系的中间左右的位置。但是最终，沙普利的测算银河系的大小应当为3万*30万光年左右，而且银河系的中心位置在人马座方向，从此奠定了现代银河系模型的雏形。

2.3哈勃定律（谱线红移）

后来，对于银河系的大小仍然有所争执，争执的焦点在于，其中有一些星云，是在银河系内部，还是银河系外部。依靠标准烛光法已经无法再去探寻对错了。这时候必须有新一代的工具，才能够让我们对于宇宙的了解更进一步。

于是，哈勃登场了，哈勃使用它的哈勃定律，观察到第一个系外星系，那就是仙女座，距离我们大约90万光年。至此，银河系的大小才尘埃落定。哈勃又进行了星系分类，把所有的星系划分为了椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系三种。我们的银河系是属于棒旋星系。

根据哈勃定律星系的退行速度V与距离D成正比：
$$V=H\times D$$(V=velocity 速度)

后来，斯里弗发现了谱线红移，星系转动和银河系本动等现象，也是哈勃的得力助手之一。这样，对于银河系及河外星系的认识基本上告一段落了。省下的就是赫马森开启的对于宇宙的认识，目前的宇宙被认为是一直在运动变化的（在古代，宇宙是被认为永恒和不变的）。于是，宇宙膨胀学说开始登上舞台。根据1927年勒梅特开启的现代大爆炸宇宙学理论，当今的宇宙来源于一个奇点，并且一直在膨胀，而驱使膨胀的这个力，可能来源于暗物质。其实由于我们对于宇宙的认识也是阶段性的，因此很多最先进的理论解释，也都是假说，因为人类的认知就是一个不断突破自我的过程。我希望我们也是一样。