第2讲宇宙是什么样的

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经过上节课的学习，小朋友们应该对地球有了一个空间上的概念：它只是一粒普普通通、悬浮在茫茫宇宙中的微小尘埃。别看简单，这其实是一个非常了不起的认知。因为在历史上绝大多数的时间里，人类一直相信地球是一种极为特殊、至高无上的存在。

从亚里士多德的时代开始，人类就一直认为地球是宇宙的中心。这源于一个非常简单的观察：日月星辰都在周而复始地围绕地球旋转。基于这种观念，在公元140年，古埃及天文学家托勒密建立了历史上第一个比较靠谱的宇宙学模型，这就是地心说。

下图展示了地心说的宇宙图像。地球坐镇宇宙的正中心并保持静止，从内向外依次是月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星。月球和太阳都在围绕着地球做圆周运动。而其他五颗行星，它们的运动情况很像是游乐园里的旋转咖啡杯：首先，它们都在一个叫本轮的小圆上旋转；其次，本轮的圆心也在一个叫均轮的大圆上绕地球运动。换言之，五颗行星的运动轨迹是由本轮和均轮这两个圆周运动组合而成的。更外面，则是一个水晶球似的巨大球壳，叫恒星天，其他星星全都镶嵌在这个恒星天的内壁上。托勒密的地心说是一个比较完善的科学理论，可以很好地解释当时的各种天文学现象。因此，它被人们奉为经典，统治了学术界长达1400年之久。

一直到公元1543年，地心说的统治地位才发生动摇。那一年，波兰天文学家哥白尼出版了著名的《天体运行论》，书中提出了一个新的宇宙学模型，也就是我们今天熟悉的日心说。下图描绘了日心说的宇宙图像。这次换成太阳坐镇宇宙的正中心；从内向外依次是水星、金星、地球、火星、木星和土星，都在围绕着太阳做圆周运动。更外面，则是与地心说一样的恒星天。小朋友们可以看到，与地心说相比，用日心说来描绘宇宙要简洁很多，不用又是本轮又是均轮地画上一大堆圆圈了。

其实哥白尼早在四十岁的时候就已经写出了《天体运行论》，但直到整整三十年后，他才将此书正式出版。这是由于在那个年代，天主教会还是欧洲的统治者，而赋予地球至高无上地位的地心说，早已被整合成了天主教神学体系的一部分，是摸不得的老虎屁股。为了避免被秋后算账，哥白尼耍了一个滑头。他选择在他不久于人世的时候出版《天体运行论》，这样就算罗马教廷要找他麻烦，也没法拿一个死人怎么样了。

伽利略

现在有两个关于宇宙的理论：地心说和日心说。到底哪个才是对的呢？人们为此争论了好几十年，也争不出个所以然。直到17世纪初，一位科学巨人的出现才打破这个僵局。

1608年，一个荷兰的眼镜店老板偶然间发现用两块前后放置的镜片可以看清远处的物体，进而造出了人类历史上的第一架望远镜。这个消息传到了意大利，引起了大科学家伽利略的浓厚兴趣。1609年，伽利略造出了一个质量更好的望远镜，能把远处的物体放大三十多倍。他把这个望远镜放在了一个塔楼的顶层，并邀请威尼斯的一些达官贵人前来观看。这个新奇的玩意儿让所有访客都大呼过瘾，也给伽利略带来了事业上的进步。不久，佛罗伦萨公国的大公就向他发出邀请，高薪聘请他担任佛罗伦萨的首席宫廷科学家。伽利略接受了邀请，这让很多威尼斯人大为不满。比如，有一个叫克莱默尼尼的哲学家，曾经向伽利略借过一笔钱，当他得知伽利略要离开威尼斯时，立刻大骂伽利略是个叛徒，然后就耍赖不还钱了。

如果仅仅是改进了望远镜，在科学上并不会产生多大的影响。但伽利略接下来又做了一件事，这件事标志着现代天文学，甚至是整个现代科学的诞生。可能小朋友们会好奇，伽利略到底做了什么事，能有这么厉害？他把望远镜指向了太空。

小朋友们应该都听过阿里巴巴和四十大盗的故事。阿里巴巴跟踪一伙强盗，来到了一个山洞前。在说出“芝麻开门”的咒语后，他打开山洞的大门，发现里面藏有数不清的财宝。阿里巴巴第一次发现财宝的心情，应该就和伽利略第一次用望远镜看太空的心情差不多。望远镜为人类打开了一扇通往新世界的大门。伽利略用它看到了很多前所未见的景象，例如太阳的黑子、月球的陨石坑、木星的四颗卫星和土星的巨大光环。此外，他还发现了一个至关重要的现象，强烈地支持了哥白尼的日心说。这个现象叫金星盈亏。

什么是金星盈亏呢？给大家看一张图，你们就明白了。我们都知道，月球是有盈亏的。为什么它会有盈亏呢？因为月球本身不发光，只能反射太阳光。由于月球一直都绕着地球旋转，它既可以跑到地球和太阳中间，也可以跑到地球背后。农历初一的时候，月球会跑到地球和太阳中间，这时月球会把后面射来的太阳光挡住，我们就看不见它，这就是“亏”，也叫新月；而农历十五的时候，月球会跑到地球背后，这时它可以完全地反射太阳光，我们就能看到一轮最圆的明月，这就是“盈”，也叫满月。类似地，如果金星一直处于地球和太阳中间，就会挡住太阳光，形成类似于新月的状态。反过来，如果它能像图中所示的那样跑到太阳背后，就可以完全地反射太阳光，形成类似于满月的状态。

小朋友们仔细看看地心说和日心说的那两张图就会知道，这两种理论有一个最大的区别：在地心说中，金星永远处于地球和太阳中间；而在日心说中，金星可以跑到太阳背后。因此，能不能看到金星也有“盈”的状态，是判断哪个理论正确的关键。伽利略正是用望远镜看到了金星有“盈”的状态，才敢断定哥白尼的日心说是对的。

日心说取代地心说的过程告诉我们，现代科学本质上是实验和观测的科学。只有通过实验和观测，才能判断一个科学理论是否正确。

当然，今天的科学家已经知道，日心说也是错的。宇宙的疆域，其实远比古人最疯狂的想象还要辽阔。那他们是怎么知道的呢？答案依然是通过天文观测。可能有些聪明的小朋友要问了：“你满口都是天文观测。到底有什么了不起的观测能让我们认识整个宇宙啊？”答案其实很简单，那就是我们最熟悉的距离测量。

距离测量是最基本的物理学实验。在日常生活中，人们一般都是直接拿尺子来量。比如说，上一讲提到的诺伍德，就是用尺子一点一点地量出从伦敦到约克的距离，进而推算出了地球的周长。但是在天文学中就没法用尺子量了，因为我们离那些天体的距离实在太远了。那该怎么办呢？聪明的天文学家想出了不少好办法。下面我就给大家讲讲其中最重要的两种方法。

第一种方法叫作三角视差。为了理解它，咱们可以做个小实验。伸出一只手指，放在靠近鼻子的地方，然后分别闭上左眼、右眼，只用一只眼睛来观察它。你会发现手指相对于背景的位置发生了偏移。手指明明没动，为什么它的位置会改变呢？这是因为你前后两次看它的位置发生了改变。这个由于观察者自身位置改变而导致被观察物体位置偏移的现象，就是视差。现在，把手指放在比较远的地方，重复这个实验，你会发现手指的位置偏移变小了。这说明被观察物体的视差越小，它离我们的距离就越远。

有了视差的概念，我们就可以用几何学的方法来测量遥远天体的距离了。下面这张图就是用三角视差法测量距离的原理图。我们都知道，地球每年会绕太阳一圈。如果地球在春分的时候运动到图中的A点，那么半年以后，也就是秋分的时候，它会到达离A点最远的B点。现在把A点和B点当成是一个人的左眼和右眼，分别从这两个地方来观察一颗离我们不太远的星星，就会发现这颗星星在遥远天幕上的位置发生了变化。从B点看来，相对于在A点，星星的位置会向左移动。这个向左的偏移量可以转化为一个角度，叫作星星的周年视差角。科学家已经测出，地球到太阳的平均距离约为1.5亿公里，相当于地球周长的3750倍。我们通常把这个日地距离称为1个天文单位。用1个天文单位除以星星的周年视差角，就可以算出我们到这颗星星的距离。

不过这个三角视差法是有局限性的：它无法测量与我们相距太远的星星。这是因为它们所对应的“周年视差”角度实在太小，根本测不出来。所以对于特别遥远的天体，天文学家一般采用第二种方法测量，它被称为标准烛光。

我们都有这样的生活经验：一根点燃的蜡烛，要是放在近的地方，看起来就比较亮；要是放在远的地方，看起来就比较暗。这是为什么呢？下图就解释了其中的原理。爱因斯坦告诉我们，光是由一个个被称为光子的微小颗粒组成的。只要蜡烛的绝对亮度是固定的，则它在单位时间内发出的光子总数也是固定的。这些光子会呈球形均匀地向外扩散，随着扩散距离的增大，这个球的面积也会越来越大。因为整个球面上的光子都是由蜡烛发出的，其总数会一直保持不变，所以单位面积上的光子数目会相应减少。换句话说，在远处，我们眼睛能接收到的单位面积的光子数会减少，这也会使光的可视强度变小，所以我们才会觉得蜡烛变暗了。更重要的是，蜡烛的可视亮度与我们和蜡烛距离的平方成反比。比如说，如果距离扩大4倍，蜡烛的可视亮度就会减小到原来的1/16。

所以蜡烛还有一个意想不到的用途：用来测量距离。只要能确定一根蜡烛在一个距离已知的地方的可视亮度，把它拿到更远的地方后，就可以通过测量新的可视亮度来计算我们到那里的距离。现在让我们开一下脑洞。我们要在天上找一种特殊的天体，它同时满足以下两个条件：1、特别亮，即使相距非常遥远也能看到；2、光学性质稳定，其绝对亮度固定不变。在这两个条件中，第二点更难满足。但只要能找到这样的天体，我们就可以把它当作蜡烛来测量宇宙间的距离。这种特殊的天体就是我们前面提到过的标准烛光。

给大家看一张在天文学史上赫赫有名的照片。图中唯一的男士叫爱德华·皮克林，他在1877-1919年期间一直担任哈佛大学天文台的台长。在他当台长前，哈佛大学天文台根本不雇用女性，里面全都是男员工。有一次，皮克林被笨手笨脚的男助理惹火了，大骂他做事还不如自己家的女佣麻利。结果皮克林一不做二不休，干脆炒了这个人，并真的雇了自己的女佣来做台长助理。皮克林没看走眼，前女佣表现得出类拔萃。从那以后，皮克林就索性只雇女员工了。他这么做最大的理由是，当时女员工的工资都很低，还不到男员工的一半；所以只雇女员工的话，就可以多雇很多人来打工了。皮克林很快就建立了一个完全由女性组成的研究团队；她们全都没读过博士，但都对学术研究充满了渴望和热情。这张照片，就是皮克林的研究团队在1913年的合影。这些女士被称为哈佛计算员，有时也被戏称为“皮克林的后宫”。正是这么一群貌不惊人的女士，让哈佛大学天文台从一个原本不入流的小机构，一跃成为享誉世界的天文学研究中心。

1892年，一位叫亨丽爱塔·勒维特的女士遭遇了一个巨大的不幸：刚从大学毕业的她，由于一场严重的疾病而彻底失去了听力。在那个年代的美国，受过高等教育的女性主要有三条出路：教师、护士和家庭主妇。但这次人生变故，让这三条出路都化为了泡影。不过一年后，她得到了一个在哈佛大学天文台当计算员的机会。尽管每周只能挣十美元，勒维特还是很开心地来到哈佛，加入了“皮克林的后宫”。据同事后来回忆，勒维特一直很敬业、内向、不苟言笑、与世无争。恐怕当时谁也无法想象，正是这位平凡到不能再平凡的失聪女士，第一个敲响了哥白尼日心说的丧钟。

我们在天空中看到的绝大多数星星，其亮度都是固定不变的。但天上还有很多很奇特的星星，它们的亮度会随时间而发生改变，这就是所谓的变星。在诸多变星中有一类比较特殊的，被称为造父变星，它会像心跳一样有节奏地脉动，从而使其亮度发生周期性的改变。换句话说，造父变星会不断地由亮变暗，再由暗变亮，如此循环往复。科学上把这个变化的周期称为光变周期。一般来说，造父变星至少比太阳亮一千倍以上，所以即使相距很远，我们也能看到它。

1908年，通过对麦哲伦星云中上千颗变星的详细研究，勒维特发现，造父变星满足一种非常奇妙的规律：在距离相同的情况下，造父变星的可视亮度和它的光变周期成正比。也就是说，一颗造父变星完成一轮完整循环所花的时间越多，它所能达到的最大亮度就越大。这个规律被称为造父变星的周光关系，也叫勒维特定律。它意味着，只要选择那些光变周期完全相同的造父变星，我们就能得到一大批绝对亮度完全相同的天体。这就是历史上发现的第一种标准烛光！这个伟大的发现，让我们能够精确测量那些极其遥远的天体的距离。从那以后，人类就不必在书斋里空想宇宙的样子，而可以用望远镜来直接地观测它。宇宙学也由此成为一门真正意义上的现代科学。

遗憾的是，这个伟大的发现并没有给勒维特本人带来什么好处：她没有得到任何学术界的嘉奖，没有得到一个教授的职位，甚至没有得到一张博士文凭。很多年后，她依然是一个本科学历、周薪10美元的计算员。1921年，当哈罗·沙普利继任哈佛大学天文台台长的时候，勒维特终于得到了重用，被任命为恒星光谱部门的负责人。但在1921年年底，勒维特就因身患癌症而与世长辞。她被葬在了马萨诸塞州剑桥市她家族的墓地里，墓碑上没有半句关于她学术成就的记载。甚至到今天，作为开启了观测宇宙学时代的灵魂人物，勒维特依然没有得到她应得的赞誉。她在公众间毫无知名度，即使在天文学的教科书中，也只是被当成一个小小的注脚。但我相信，总有一天，勒维特会得到她在天文学史上应得的地位。这个名字，即使被放在注脚中，依然光彩照人。

现在我们已经知道，宇宙学是一门基于距离测量的观测科学。我们也有了一些关于天文学距离的概念：地球的周长是4万公里，约为950个马拉松的总长；地球与太阳相距1.5亿公里，相当于地球周长的3750倍，它通常被称为1个天文单位。对我们的日常生活而言，这些距离全都是大得不得了的天文数字。但对于整个宇宙，它们却渺小到根本不值一提。为了描述宇宙的尺度，科学家创造了一个新概念，叫作光年。光年是光走一年的距离。它大约是94600亿公里，相当于63000多个天文单位。这是什么概念呢？目前人类造出的速度最快的飞行器就是我们熟悉的旅行者1号，它当前的速度已经超过了每秒17公里，相当于音速的50倍。这意味着，旅行者1号要想飞完1光年的路程，需要花上17000多年。要知道，真正有文字记载的人类文明史，也只有此数字的一个零头。

好了，现在我们已经做好所有的准备，可以开始一次宇宙之旅了。我们将坐上一艘想象的宇宙飞船，从地球出发，一直漫游到宇宙的边缘。

这次旅行的第一站是我们生活的太阳系。上面这张图大致地描绘了太阳系的面貌。太阳系的主角是位于中心的太阳，它是太阳系中唯一能发光的天体，质量占太阳系总质量的99%以上，并以其强大的引力主宰着整个太阳系，让其他天体都像朝圣一样围绕它旋转。在这些朝圣的天体中，最引人注目的是所谓的八大行星，从内到外依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。正如我们在第一讲里提到的，它们都位于同一个平面（科学上称为黄道面），并且朝着同一方向绕太阳旋转。里面的4颗行星质量和体积都比较小，主要由固体构成，叫作类地行星；外面的4颗行星质量和体积都比较大，主要由气体构成，叫作类木行星。

这么讲有点过于抽象了。我给大家看一张把八大行星等比例缩小的图，让你们直观地感受一下它们的大小。可以看到，最大的行星是木星，其半径是地球的11倍。换句话说，如果把木星当成一个容器，里面能放下1300多个地球！

不过，木星也只是一个小角色。这次我们把太阳也纳入对比。很明显，地球就变成了一个小点了。那太阳到底有多大呢？其半径是地球的109倍。也就是说，一个太阳里能放下130万个地球！

可能有些小朋友会问了：“太阳系中有那么多的天体，为什么就只有这8颗行星呢？”答案是，要想成为一颗行星，必须得越过两个门槛：首先，要有足够的质量，使自身的形状能一直保持为球形；其次，要有足够强的引力，能把邻近轨道的所有小天体都清除掉。这是两个很高的门槛，把太阳系内绝大多数的天体都给刷掉了。不过这个关于行星的定义非常新，是2006年在捷克首都布拉格召开的国际天文联合会上确定的。

行星定义的变迁连累了两个倒霉蛋。它们都曾被视为行星，后来又被无情地踢出了行星的行列。

第一个倒霉蛋是谷神星。它的发现过程是个很有趣的故事。天文学家很早就注意到了一件怪事：在太阳系的这些行星中，就数火星与木星相距特别远。有些人就猜测，会不会在火星和木星之间还有一颗行星呢？但是很长时间内都没有人能找到它。1801年1月1日，一个叫朱塞普·皮亚齐的意大利神父偶然看到了一个很小的天体，它的运动速度比火星慢，又比木星快，所以应该位于火星和木星之间。但皮亚齐还没高兴多久，倒霉的事情就发生了：在确定这个天体的轨道之前，皮亚齐突然病倒了，等他恢复健康、重新回到望远镜旁工作的时候，这个天体已经跟丢了。

按正常情况，皮亚齐就要与这个发现失之交臂了。但这时，他的贵人登场了，那就是德国数学王子高斯。高斯提出了一种计算行星轨道的新方法，硬是用皮亚齐不太完整的观测数据，把这个天体的轨道给算出来了。后人利用高斯算出来的轨道，重新找到了这个天体，并且证明它确实处于火星和木星之间。这个失而复得的天体就是谷神星。

一开始，人们都把谷神星当成一颗真正的行星。然而没过多久，天文学家就在与谷神星邻近的轨道上，又发现了好几个更小的天体。所以天文学家威廉·赫歇尔建议，与其他天体共用一个轨道的谷神星根本就没有当行星的资格，只能算是一颗小行星。而这个介于火星和木星之间、有大量小行星活动的环形区域，则被称为小行星带。目前，人们已经在此区域发现了超过10万颗小行星。

谷神星

另一个倒霉蛋是名气更大的冥王星。小朋友们的爸爸妈妈应该都记得，在很长一段时间里，小学的教科书都一直说太阳系里有九大行星。这第九颗行星，就是美国天文学家克莱德·汤博于1930年在海王星轨道外侧发现的冥王星。去年，冥王星又刷了一次存在感：一个叫新视野号的空间探测器飞临冥王星，看到上面有一个很可爱的心形区域。这么萌的冥王星，为什么会被赶出了行星的行列呢？因为它遇到了一个猪队友。

冥王星

2005年，美国天文学家迈克·布朗在冥王星外围又发现了一个新的天体，它的体积比冥王星略小，但是质量却比冥王星大了近30%。布朗很兴奋，把这个新天体命名为阋神星，宣称它是太阳系的第十个行星。但是布朗的发现带来了一个问题。如果把阋神星算成行星的话，另外的两个天体，包括我们前面提到的谷神星和冥王星的卫星卡戎，也将具备升级为行星的资格。

所以在2006年的国际天文联合会上，一个专门给天体命名的委员会提出了一个议案，要把太阳系的行星扩容为12颗。这个议案一提出，立刻引发了与会天文学家的一片骂声。大家纷纷表示12颗行星太荒谬，绝对不能让它来毒害后代。无奈之下，委员会只好提出了一个新议案，建议修改行星的定义，把“能够清除邻近轨道的其他小天体”也列为行星的必要条件。按这个标准，冥王星将被踢出行星的行列。这个新议案最后获得了通过。就这样，阋神星自己没当上行星，还把冥王星也拖下了水。现在，人们给谷神星、冥王星和阋神星设定了一个新的类别，叫作矮行星。

现在学术界普遍接受，在海王星轨道之外还存在一个新的小行星带，叫作柯伊伯带。柯伊伯带是一个距离太阳40到200个天文单位的环形区域，里面有大量的冰封物体，有点像是太阳系的城乡结合部。我们前面提到的冥王星和阋神星都位于这个区域。不过柯伊伯带依然不是太阳系的边缘，因为在它外面还有一个传说中的奥尔特星云。

小朋友们应该知道，太阳系中还有一种天体，叫作彗星。它是一个巨大的脏雪球，沿着狭长的椭圆形轨道绕太阳旋转。太阳发出的热风能让彗星上的冰挥发，从而形成一根长长的彗尾。因此，过上一定的时间，彗星就会被太阳完全摧毁。那么问题来了：太阳系已经存在了将近50亿年，为什么还有很多彗星没被摧毁？

1950年，荷兰天文学家奥尔特提出，在太阳系的最外围存在着一个巨大的球状气体云，被称为奥尔特星云。它受到太阳引力的束缚，所以依然是太阳系的一部分。奥尔特星云是一个巨大的冰库，里面可能有上百万颗彗星。我们现在之所以还能看到彗星，就是因为有这个大冰库在源源不断地提供补充。可能有小朋友要问了，这个奥尔特星云到底离我们有多远呢？答案是惊人的1光年！

现在我们来盘点一下整个太阳系的家当。从内往外数，太阳系包括太阳、4颗类地行星、小行星带、4颗类木行星、柯伊伯带和奥尔特星云，其半径能达到1光年之遥。不过我们马上就会看到，太阳系只是宇宙的沧海一粟而已。

现在我们到了宇宙之旅的第二站，也就是太阳系的星际近邻世界。在这片半径为20光年的区域里，分布着上百颗恒星。而在这些邻近恒星中，最有名的就是半人马座α三合星。它正是我国著名科幻作家刘慈欣描绘过的那个三体世界。

半人马座α是离我们最近（大概有4.2光年）的恒星系统。它由三颗恒星组成：半人马座αA星、半人马座αB星和比邻星。不过，和刘慈欣笔下那个危机四伏的三体世界不同，真实的半人马座α世界并没有那么凶险莫测。这是因为半人马座α三合星的运动情况其实更像一个两星系统。半人马座αA星和B星是两颗与太阳非常相似的恒星，彼此仅相距十几个天文单位；而质量仅有太阳12%的比邻星，与它们相距13000个天文单位，相当于0.21光年。因此，实际情况是AB双星先构成一个彼此绕转的两体系统，然后这个两体系统再与比邻星构成一个更大的两体系统。与三体系统不同，两体系统的运动规律是可以准确预测的。所以要是真有三体人，他们也不会整天活在末日将至的惶恐中。

2016年8月出了一个轰动的大新闻：天文学家在比邻星附近发现了一颗叫比邻星B的行星，它有可能适宜生命居住。可能有些小朋友要问了，“为什么这颗行星会适宜生命居住呢？”答案是，它满足生命存在的一些最基本的条件。

一般认为，一颗行星上要想诞生生命，需要满足以下几个条件。第一，它必须是一颗固体行星；这是因为气体行星太不稳定，生命根本找不到任何落脚点。第二，它必须处于宜居带；换言之，要刚好位于离恒星距离合适的地方，不能太近也不能太远，否则温度太高或太低都会使液态水无法存在。第三，它要有大气和磁场；不然无法保证昼夜温差的稳定，也无法抵御来自恒星的危险射线的伤害。

比邻星B的质量大概是1.3倍地球质量，而要想变成气体行星至少得达到8～10倍地球质量，所以它只能是一颗固体行星。比邻星B与比邻星之间的距离，相当于地球和太阳间距离的1/20；但由于比邻星很暗，发出的可见光能量只有太阳的1/600，所以这个距离恰好处于宜居带的范围。至于比邻星B上有没有大气和磁场，目前我们还不得而知。但这已经让很多人，尤其是那些三体的粉丝兴奋不已了。

但对生命而言，比邻星B依然是一个恐怖无比的地方。这是因为比邻星虽然在正常情况下不会辐射太多的能量，但它会时不时地爆发。在爆发状态下，它会释放出比太阳还要强很多的能量。这些爆发的能量在如此近的距离打到比邻星B上，就相当于用数不清的氢弹把比邻星B炸了个底朝天。我们不妨来开个脑洞。如果比邻星B上真有三体人，那会如何？说实话，那人类就真的要遭遇灭顶之灾了。因为地球人最厉害的核武器已经对三体人毫无效果了。

接着是这次旅行的第三站，也就是下图中那个横跨夜空的棒状结构，银河系。如果说星际近邻世界是太阳居住的社区，那么银河系就是太阳居住的王国。就在100年前，人们还普遍相信银河系就是宇宙的全部。但今天，我们的宇宙观已经发生了翻天覆地的变化，这种转变要从一场辩论说起。

1920年4月26日，在纽约史密斯森自然历史博物馆，举行了一场历史上赫赫有名的辩论，辩论的主题就是“银河系是不是宇宙的全部”。参加辩论的是两位著名的天文学家，哈罗·沙普利和希伯·柯蒂斯。

我们前面已经提到过哈罗·沙普利。他一生中最大的贡献是用造父变星测量了银河系中大量恒星的距离，从而证明了太阳并非位于银河系的中心。所以他一当上哈佛大学天文台台长，就立刻提拔了失聪女科学家勒维特。1925年，一位瑞典科学院的院士写信给哈佛大学天文台，说他打算提名勒维特为诺贝尔物理学奖候选人。沙普利回信说，勒维特女士已经于4年前去世了，不过与勒维特发现造父变星是一种标准烛光相比，他本人用造父变星来测量银河系距离的工作其实更有意义，所以建议改成提名沙普利去评选诺贝尔物理学奖。可惜那位瑞典科学院院士根本没搭理他。

在这场举世瞩目的大辩论中，沙普利宣称银河系就是宇宙的全部，而柯蒂斯主张银河系只是宇宙中很小的一部分。争论的焦点集中在一些遥远的星云，例如仙女座星云和纸风车星云，它们到底是银河系中的一团气体，还是与银河系一样的星系。沙普利一口咬定是前者，而柯蒂斯则坚持认为是后者。搞笑的是，辩论的双方其实都算错了银河系的大小。沙普利算出银河系的直径有30万光年，此数值明显偏大；而柯蒂斯则算出银河系的直径只有3万光年，此数值又明显偏小。所以你可以想象，尽管两个人都引经据典、摆出了一大堆支持自己的论据，但最后谁也无法说服对方。

哈勃

这次辩论没能让真理越辩越明，但它还是给未来的研究指明了方向。关键就是要更准确地测量距离。很快，解决问题的人登场了，他就是美国大天文学家哈勃。

哈勃出生在一个家境优裕的家庭。学生时代的哈勃是一个很出色的运动员，曾经在一次中学的运动会上一口气拿到7个比赛的冠军。再加上他相貌英俊，所以一直都很受欢迎。尽管有这么多的优点，哈勃却是一个脸皮极厚的吹牛大王。他声称自己曾在一场拳击比赛中，把一个世界冠军打倒在地。稍有常识的人都知道，这根本就不值一驳。他还说在他去芝加哥大学读博士以前，已经在法律界混得风生水起。实际上，那段时间他一直在一所中学当任课老师和篮球教练。最后，他甚至宣称自己曾在第一次世界大战的战场上，护送一群惊慌失措的难民到达安全的地方。但事实上，他在停战协议签订前一个星期才抵达法国，根本就没上过战场。

1919年，哈勃在威尔逊山天文台找到了一个职位。在那里，他利用当时世界上最大的望远镜，很快得出了一个轰动世界的发现。1924年，哈勃在仙女座星云中找到了造父变星，并利用它测出仙女座星云（现在我们都叫它仙女座星系）与我们至少相距上百万光年。这个发现立刻终结了四年前那场大辩论。人类终于意识到，就连银河系都不是宇宙的中心。不过，这个发现并非哈勃一生中最大的贡献。1929年，哈勃又得出一个震惊世界的发现。他观测了几十个遥远的星系，发现它们全都在离我们远去，而且与我们相距越远的星系，远离我们的速度就越快。这意味着整个宇宙都在膨胀！我们将在下一讲解释这个发现的意义。

下面给大家看看银河系的全貌。银河系像一个旋转着的巨大圆盘，直径超过10万光年，厚度不到2000光年，其中至少包含1000亿颗恒星。银河系的中间鼓起了一个直径为1万光年的大圆球，被称为银核。在银核正中心还隐藏着一个危险的庞然大物，那是一个质量为400万倍太阳质量的巨大黑洞。银核外的盘状结构被称为银盘。银盘上还有几个恒星比较密集的区域，被称为旋臂。旋臂里的恒星不是固定不变的。大家可以想象城市里的交通堵塞。不断有汽车进入，也不断有汽车离开，但这个堵塞区整体上还是保持不变。这个堵塞的区域就是旋臂。我们的太阳系目前就位于其中一条旋臂——猎户座旋臂之中，离银河系中心大概有28000光年。在银盘之外还有一个更大的球状区域，叫银晕，里面稀稀落落地分布着一些年老的恒星。

这么讲有点太抽象，我们还是来打个比方吧。如果把太阳系看作一个城市，它的中心城区可以一直划到海王星；这个中心城区的直径有60个天文单位，大致为100亿公里。现在我们来比较一下地球、太阳系和银河系的大小。首先，把地球缩小到只有一个篮球那么大。这时按等比例缩小的太阳系有多大呢？大概相当于一个以北京到天津的距离为直径的圆球。接着，把太阳系也缩小到只有一个篮球那么大。这时按等比例缩小的银河系有多大呢？就相当于整个地球。

小朋友们可以看看右边这张图，来直观地感受一下银河系的浩瀚。我们肉眼能看到的所有天体加起来，在图中都是微不足道的。

再下来是这次旅行的第四站，我们终于飞出了银河系，来到了星系际空间。自从哈勃发现仙女座星云其实也是一个独立的星系后，天文学家们又陆陆续续地在银河系周围发现了大约50个其他星系。在这些星系中，银河系是排名第二的大块头，仅次于与它相距250万光年的仙女座星系。更有意思的是，就像不同的国家可以结盟一样，这50个星系也在引力的作用下组成了一个大型的联盟，叫本星系团。这个本星系团的直径有600多万光年。银河系和仙女座星系是本星系团的两大盟主，其他那些小星系都得绕着它俩旋转。

后来，天文学家用更强大的望远镜发现了更多的星系。但有个问题一直悬而未决：宇宙中到底包含多少个星系？很长一段时间里，科学家对此完全没有任何头绪。直到20多年前，一个著名的天文观测才给这个疑难问题带来了一丝曙光。

1995年12月18日，天文学家把哈勃空间望远镜指向了大熊星座中一块看似空无一物的区域。这块区域（右图中标记的那块）的范围很小，仅占整个天空总面积的2400万分之一，相当于100米外的一颗网球。为了能拍清楚，科学家对这块区域持续观测了10天，然后把拍到的底片曝光了342次，并将它们叠加，合成了一张照片。

右边就是他们合成的那张照片。这就是著名的“哈勃深场”。大家看到了吧？一块原本空无一物的区域，竟然藏着超过3000个星系！用这个数字乘以2400万，科学家估算出整个宇宙应该包含超过800亿个星系。后来，在2003年和2012年，天文学家把这个实验重做了两次，得到了两张新的图片：“哈勃超级深场”和“哈勃极端深场”。最新的观测显示，宇宙中包含的星系数量应该超过2000亿！

我们已经知道，整个宇宙至少包含2000亿个星系，而平均每个星系又至少包含1000亿颗恒星，所以宇宙中恒星的总数至少有200万亿亿个。这是什么概念呢？假如让生活在地球上的70亿人都来数星星，且每人每秒能数一个，那么要想数完宇宙中所有的恒星，至少要花上9万年。也就是说，这70亿人要从我们的智人祖先离开非洲的时候开始数星星，一直连续不断地数到今天，才有可能把天上的恒星数完。

最后，我们终于来到了这次旅行的终点，也就是整个宇宙的边缘。让我们回过头来，看一看宇宙的全貌吧。下图就是科学家用计算机模拟出的整个可观测宇宙的全貌。图中横轴上方标记的每一个白色的小格，都代表着10亿光年的距离；也就是说，那一小格就比银河系的直径还要大1万倍。我们再来开最后一次脑洞。如果把银河系也缩小到只有一个篮球那么大，那么按等比例缩小的可观测宇宙有多大呢？大概也相当于一个以北京到天津的距离为直径的圆球。

最后要问大家一个问题：看了这幅宇宙的全貌图以后，你觉得宇宙从整体上看有什么特征？相信这个问题会难倒不少小朋友，因为你们会觉得它完全没有任何的特征。但事实上，没有特征其实就是宇宙最大的特征，它说明在最大的宇宙学尺度上，宇宙在各个地点、各个方向上看都是一样的。这是一个极端重要的观测，它说明整个宇宙根本就没有任何中心。

最早人类认为地球是宇宙的中心，结果被伽利略证明是错的；然后人类认为太阳是宇宙的中心，结果被沙普利证明是错的；后来人类认为银核是宇宙的中心，结果又被哈勃证明是错的。那宇宙的中心到底在哪里呢？现在我们知道，宇宙根本就没有任何中心。这就是著名的哥白尼原理，它已经被视为现代宇宙学的基石。

通过这次宇宙之旅，小朋友们应该已经了解宇宙是什么样的了。它是一片跨越了数百亿光年的广阔空间，没有任何中心；里面包含了至少2000亿个星系和200万亿亿颗恒星，而且这些物质还非常均匀地分布在其中。可能有些聪明的小朋友会问了，“那宇宙是从哪里来的？它又将往何处去？”这就是我在后面两讲中所要回答的问题。