钱磊：【家长课堂】宇宙的层级

钱磊 中国科学院FAST重点实验室副研究员

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一、什么是宇宙的层级

四方上下曰宇，往古来今曰宙。宇宙说的是时空。层级指的是不同大小的结构。比如，地球上有各大洲，不同的大洲上面有高原、平原、山地、丘陵等不同大小的结构。宇宙里面也有这样不同的结构。

我们要讲的概念是可观测宇宙。对于时空，我们产生了很多认识。比如，不同的宇宙模型里，宇宙可以是有限大小的、无限大小的，甚至有多重宇宙、平行宇宙。但是我们要讲的是一个非常具体的、可以观测的概念，即可观测宇宙，也就是我们能看到的那部分宇宙。

为什么会有可观测宇宙的概念？实际上，我们没有办法观测到整个宇宙。原因在于，在标准宇宙学的认识里，宇宙的年龄是有限的。宇宙是从一个起点开始不断演化、膨胀，到了今天的状态。如果宇宙的年龄是有限的，那么，我们能观测到的宇宙也是有限的。因为光速是有限的。

从宇宙诞生到现在，我们认为经历了137亿年。不管宇宙的年龄有多长，只要是一个有限的数字，那么我们所看到的这部分可观测宇宙就是有限的。

真空中的光速，大概是30万km/s。一个简单的想法是，用宇宙的年龄乘以光速，大概就能知道可观测宇宙的大小。但实际上，面对一个正在膨胀的宇宙，这样简单的计算，量级上是没问题的，但是精确的数字会差一点。

可观测宇宙的半径约为465亿光年。对于静态宇宙，即假如宇宙从开始到现在没有发生任何变化，那么，用光速乘以经历的时间，确实可以知道可观测宇宙的大小。但是问题就在于，宇宙在不断膨胀，直接用光速乘以宇宙年龄，算出来会不准确。

另外，光年是一个距离单位，即光在一年的时间里，走了多少距离。在已知光速和一年的长度时，可以很容易地算出一个光年。但是人类对于这么大的数字其实没有什么概念，即使我告诉大家可观测宇宙的半径是400多亿光年，这个数字对于我来说其实也没有特别明确的概念。所以我们需要讲一讲宇宙的层级，给大家一个大致的概念。

二、认识地月系和太阳系

我们可观测的宇宙实际上只是整个宇宙的一小部分，这可能会令大家多少有点失望。虽然我们的观测能力也有限，但这主要是受物理限制的。即便如此，我们可观测的这部分宇宙其实已经非常大了。

接下来就从我们所在的地球，脚踏实地讲起。地球是一个接近于球形的天体，赤道半径是6378公里，极半径稍微短一点，是6357公里。现在普遍认为，这是由于地球自转造成的，即地球自转产生的离心力导致一定的形变。

总体而言，地球，顾名思义，是一个半径接近6400公里的球。因为我们在地球上，可以比较方便地采用大地测量的方法，从而不仅可以知道地球是一个球，而且可以准确测量其半径。举一个生活中的现象，在海边观察那些进出港口的船只时，可以发现从远处来到港口的船，是先看到其顶部而后看到船身；从港口离开的船，也是先看不到船身再看不到船顶的。这个现象也可证明地球表面不是平的，而是有弧度的。

我们往外看，地球有一个卫星——月球。多数情况下，我们都可以在晚上看到月球。但是月球有多大呢？月球的半径是1738公里。刚才我们提到地球的半径是近6400公里，按比例，月球应为地球的1/3，而往往拍摄的图片上月球并没有很小。原因出在地球和月球之间的距离上。当拍摄图片的探测器离月球较近时，月球就会看上去“大”了一点点。

我们经常会把地球和月球放在一张图上，并画一条线指明中间的距离是38万千米。但是这种图是不成比例的，如果按比例画，地球和月球都会变成非常小的两个点，这样就不方便我们观察了。所以，通常情况下，我们都会把地球和月球画大。但其实和它们的大小比起来，它们之间的距离非常远。

那么，地球和月球的距离，我们是怎么测出来的呢？现在可以很方便地采用激光测距的方法。登月时将激光照到提前在地球上布置好的反射镜上再反射回来，根据光的发出和返回时间就可以测出地球和月球之间比较精确的距离。

知道了距离有什么好处呢？知道了距离就可以很方便地测出月球的大小，这样就不需要到月球表面采用大地测量的方法了。这是天文学研究中经常使用的办法。把距离测出来以后就可以知道天体的很多信息，比如天体的大小。原因在于，我们看一个天上的东西，或者一个远处的东西，很方便测出来的是它的角度。我们看到的所谓的远处事物的大小，实际上都是它的角直径或者角尺度。而只有测出距离才能将角尺度转化成线尺度。所以，测量距离非常重要。

很多同学可能都知道日食，日食就是月亮把太阳挡住了，其中日全食就是月球几乎把太阳全都挡住了。从这个事实出发，可以想到一个什么事呢？比如，我们可以提的一个问题就是，难道月球和太阳是一样大的吗？如果不一样大，为什么月球可以把太阳挡住呢？

首先，从某种层面上来说，月球和太阳看起来是一样大的，这个没有问题。因为月球看起来是30个角分左右，太阳看起来也是差不多的角尺度。但是，从另一方面来说，即线尺度层面看，月球真实的大小和太阳真实的大小，是不是一样大呢？显然不一样大，太阳会大很多。

其次，虽然不一样大但是可以挡住太阳的原因在于距离。无论是从画画中，还是从日常生活中，我们都可以得到的一个经验是近大远小。一个东西，放到近处，看起来很大，放到远处，看起来就小了。这个“大”和“小”指的是什么呢？指的其实就是角尺度。比如，我的手离眼睛越近，看起来张角越大，离眼睛越远，张角就越小。所以，这个地方的大小指的是角尺度，而不是真实尺度。

那么，回到刚才说的日食，月球的大小和太阳的大小指的是角尺度。在天文学中，真实尺度与距离可以相互推算。如果知道一个物体的真实大小，并可以将其放到不同远近的位置，测量出角尺度，便可以得出距离。同理，当已知一个天体的大小及其角尺度，便可得出我们与其的距离。这是天文学中另一种测距的方法。不过这种方法会受到很多限制，因为通常情况下我们不会先知道某个天体的真实大小。但是在某些特殊情况下，如果知道了某个天体的大小，就可以倒过来推出距离。