仰望星空：最远的最美

当我们仰望星空的时候，会看见半个宇宙。和宇宙相比，人，地球，月亮和太阳在尺度上都是极其渺小的。

宇宙里的星星，总是用最冷静的方式，向我们传递它们微弱而凄凉的光芒。很多星星，当我们看见它们的时候，它们已经死亡很长时间了。它们爆发出来的巨大数量的各种能量的光子，孤独地穿越亿万光年的距离，最终到达我们的眼睛，进入我们的心灵，让我们感受到它们的存在和美丽。距离产生美。越远越美。最远的最美。

除了肉眼，我们可以采用各种类型的天文望远镜来观察星星。可见光之外，我们还可以探测到星星发出的其它能量范围的光子，比如无线电波，红外线，紫外线，X光，伽马射线。除了光子，我们还可以探测到星星发出的其它类型的粒子，比如中微子。截止目前，人类总共探测到了来自太阳系以外的24个中微子。

我们肉眼可以看见的几千颗星星，除了有几颗是太阳系的行星，绝大多数是和太阳类似的恒星，而且几乎全部是银河系里的恒星。但是，我们的肉眼只是看见了大约一亿分之一数目的银河系恒星，因为银河系可能有一千亿到四千亿颗恒星，并可能有约一千亿颗行星。银河系是个涡轮状的扁平盘，直径大约10-18万光年。银河系内部所有的物质，都是引力相关的。银河系自转一周，大约需要2.25-2.50亿年。太阳自诞生之日起，围绕银河中心转动了大约20-25次。太阳的轨道速度是217公里每秒。

银河系，仙女座星系，三角座星系和其它大约50多个大小不同的星系，构成了我们所在的本星系群。本星系群的直径大约为一千万光年，质心位于银河系和仙女座星系之间。本星系群和其它一些星系群和星系团（星系数量较少叫做群，较多叫做团）又是一个更大的拉尼亚凯亚超星系团的一部分。拉尼亚凯亚超星系团空间跨度约5.2亿光年，包含约十万个星系，每一个星系相当于一个银河系。我们现在可以观测到的宇宙，是由大约一千万个超星系团构成的。宇宙的年龄大约是138亿年，直径约930亿光年。宇宙的平均温度只有2.7K。我们并不知道宇宙里有多少颗像太阳一样的恒星，据粗略估计大约有三乘以十的二十三次方颗。根据目前普遍接受的宇宙标准模型，我们可观测的宇宙，来自138亿年以前的一次大爆炸。我们都是无中生有的产物，都曾经有过零距离的接触。

宇宙的结构层次如下：
宇宙 > 超星系团 > 星系群（团）> 星系 > 恒星 > 行星 > 卫星。

谈到宇宙的大尺度结构和距离，有人会问，我们没有去过那些遥远的星球，怎么知道它们的距离呢？对于较近（几千万光年和几亿光年内）的星球和星系，通常可以通过其亮度来测定距离，结果比较准确。但是，对于那些最遥远的星系星球，我们并没有确切的亮度观测数据。这些最遥远的距离，都是推测出来的。恒星主要由氢原子和氦原子的等离子体构成，其表面和外层有温度较低的氢原子和氦原子。这些原子会发出一些固定频率的光。当星球相对地球高速运动时，它们的氢原子和氦原子发出的线状光谱的频率，会发生变化（多普勒效应）。如果频率变高，说明星球朝着地球飞来。如果频率变低，说明星球远离地球飞去。它们飞行的速度，可以根据频率变化的程度来精确推算。但是，即使知道了它们的速度，仍然无法知道它们离地球的距离。观测发现，在大尺度上，几乎所有遥远的星系，都在远离地球。也就是说，整个宇宙，实际上是在不断的膨胀，星系之间的相对距离都在随时间增大。假设宇宙是均匀膨胀的，越远的星系和星球，就会有越大的红移，距离和红移程度成简单的线性比例，比例常数就是著名的哈勃常数。哈勃常数怎么定下来呢？原则上很简单，可以利用那些已知距离的比较近的星系和星球来标定。目前，哈勃常数的测量结果大约有2%的误差。既然宇宙正在膨胀，那么它就很有可能一开始很小，是逐渐膨胀长大的。这就是宇宙标准模型里面的大爆炸学说。大爆炸还会留下其它的痕迹。这些痕迹，现在仍然可以看到。因此，大爆炸作为宇宙演化的学说，已经被科学界广为接受。

宇宙真的在膨胀吗？如果我们相信量子力学，并相信量子力学在亿万光年以外的星球上也成立，那么，我们必须相信宇宙在膨胀。1977年9月5日发射的探测器旅行者1号，早已经飞出了太阳系，正在朝着太阳系以外的星际太空飞去。它已经证明，至少整个太阳系是遵守量子力学的。当我们看见非常遥远的星球发出的氢原子光谱和氦原子光谱，竟然和地球上的一样（虽然有点红移），我们还有什么理由不相信量子力学在它们那里也成立呢？旅行者1号携带的核衰变能电池，可以供它工作到2036年。再过16年，它将和人类失去联系，成为一个孤独的旅行者。但是，它仍然会坚定不移地向银河系的中心飞去。它在四万年之内，不会和任何恒星相撞。如果它能够躲过所有的灾难，它将永远徜徉在银河系中，领略人类无法领略的美丽风光。

我刚好有一本James Peebles于1993年出版的专著《Principles of Physical Cosmology》（物理天文学原理）。他另外还有一本著名的书《The Large-Scale Structure of the Universe》(宇宙的大尺度结构)。因为在宇宙学方面的贡献，他获得了2019年的诺贝尔物理学奖金的一半。