給孩子講宇宙：第2講宇宙是什麼樣的_李淼

經過上節課的學習，小朋友們應該對地球有了一個空間上的概念：它只是一粒普普通通、懸浮在茫茫宇宙中的微小塵埃。別看簡單，這其實是一個非常了不起的認知。因為在歷史上絕大多數的時間裡，人類一直相信地球是一種極為特殊、至高無上的存在。

從亞里士多德的時代開始，人類就一直認為地球是宇宙的中心。這源於一個非常簡單的觀察：日月星辰都在週而復始地圍繞地球旋轉。基於這種觀念，在公元140年，古埃及天文學家托勒密建立了歷史上第一個比較靠譜的宇宙學模型，這就是地心說。

下圖展示了地心說的宇宙圖像。地球坐鎮宇宙的正中心並保持靜止，從內向外依次是月球、水星、金星、太陽、火星、木星和土星。月球和太陽都在圍繞著地球做圓周運動。而其他五顆行星，它們的運動情況很像是遊樂園裡的旋轉咖啡杯：首先，它們都在一個叫本輪的小圓上旋轉；其次，本輪的圓心也在一個叫均輪的大圓上繞地球運動。換言之，五顆行星的運動軌跡是由本輪和均輪這兩個圓周運動組合而成的。更外面，則是一個水晶球似的巨大球殼，叫恆星天，其他星星全都鑲嵌在這個恆星天的內壁上。托勒密的地心說是一個比較完善的科學理論，可以很好地解釋當時的各種天文學現象。因此，它被人們奉為經典，統治了學術界長達1400年之久。

一直到公元1543年，地心說的統治地位才發生動搖。那一年，波蘭天文學家哥白尼出版了著名的《天體運行論》，書中提出了一個新的宇宙學模型，也就是我們今天熟悉的日心說。下圖描繪了日心說的宇宙圖像。這次換成太陽坐鎮宇宙的正中心；從內向外依次是水星、金星、地球、火星、木星和土星，都在圍繞著太陽做圓周運動。更外面，則是與地心說一樣的恆星天。小朋友們可以看到，與地心說相比，用日心說來描繪宇宙要簡潔很多，不用又是本輪又是均輪地畫上一大堆圓圈了。

其實哥白尼早在四十歲的時候就已經寫出了《天體運行論》，但直到整整三十年後，他才將此書正式出版。這是由於在那個年代，天主教會還是歐洲的統治者，而賦予地球至高無上地位的地心說，早已被整合成了天主教神學體系的一部分，是摸不得的老虎屁股。為了避免被秋後算賬，哥白尼耍了一個滑頭。他選擇在他不久於人世的時候出版《天體運行論》，這樣就算羅馬教廷要找他麻煩，也沒法拿一個死人怎麼樣了。

伽利略

現在有兩個關於宇宙的理論：地心說和日心說。到底哪個才是對的呢？人們為此爭論了好幾十年，也爭不出個所以然。直到17世紀初，一位科學巨人的出現才打破這個僵局。

1608年，一個荷蘭的眼鏡店老闆偶然間發現用兩塊前後放置的鏡片可以看清遠處的物體，進而造出了人類歷史上的第一架望遠鏡。這個消息傳到了意大利，引起了大科學家伽利略的濃厚興趣。1609年，伽利略造出了一個質量更好的望遠鏡，能把遠處的物體放大三十多倍。他把這個望遠鏡放在了一個塔樓的頂層，並邀請威尼斯的一些達官貴人前來觀看。這個新奇的玩意兒讓所有訪客都大呼過癮，也給伽利略帶來了事業上的進步。不久，佛羅倫薩公國的大公就向他發出邀請，高薪聘請他擔任佛羅倫薩的首席宮廷科學家。伽利略接受了邀請，這讓很多威尼斯人大為不滿。比如，有一個叫克萊默尼尼的哲學家，曾經向伽利略借過一筆錢，當他得知伽利略要離開威尼斯時，立刻大罵伽利略是個叛徒，然後就耍賴不還錢了。

如果僅僅是改進了望遠鏡，在科學上並不會產生多大的影響。但伽利略接下來又做了一件事，這件事標誌著現代天文學，甚至是整個現代科學的誕生。可能小朋友們會好奇，伽利略到底做了什麼事，能有這麼厲害？他把望遠鏡指向了太空。

小朋友們應該都聽過阿里巴巴和四十大盜的故事。阿里巴巴跟蹤一夥強盜，來到了一個山洞前。在說出「芝麻開門」的咒語後，他打開山洞的大門，發現裡面藏有數不清的財寶。阿里巴巴第一次發現財寶的心情，應該就和伽利略第一次用望遠鏡看太空的心情差不多。望遠鏡為人類打開了一扇通往新世界的大門。伽利略用它看到了很多前所未見的景象，例如太陽的黑子、月球的隕石坑、木星的四顆衛星和土星的巨大光環。此外，他還發現了一個至關重要的現象，強烈地支持了哥白尼的日心說。這個現象叫金星盈虧。

什麼是金星盈虧呢？給大家看一張圖，你們就明白了。我們都知道，月球是有盈虧的。為什麼它會有盈虧呢？因為月球本身不發光，只能反射太陽光。由於月球一直都繞著地球旋轉，它既可以跑到地球和太陽中間，也可以跑到地球背後。農曆初一的時候，月球會跑到地球和太陽中間，這時月球會把後面射來的太陽光擋住，我們就看不見它，這就是「虧」，也叫新月；而農曆十五的時候，月球會跑到地球背後，這時它可以完全地反射太陽光，我們就能看到一輪最圓的明月，這就是「盈」，也叫滿月。類似地，如果金星一直處於地球和太陽中間，就會擋住太陽光，形成類似於新月的狀態。反過來，如果它能像圖中所示的那樣跑到太陽背後，就可以完全地反射太陽光，形成類似於滿月的狀態。

小朋友們仔細看看地心說和日心說的那兩張圖就會知道，這兩種理論有一個最大的區別：在地心說中，金星永遠處於地球和太陽中間；而在日心說中，金星可以跑到太陽背後。因此，能不能看到金星也有「盈」的狀態，是判斷哪個理論正確的關鍵。伽利略正是用望遠鏡看到了金星有「盈」的狀態，才敢斷定哥白尼的日心說是對的。

日心說取代地心說的過程告訴我們，現代科學本質上是實驗和觀測的科學。只有通過實驗和觀測，才能判斷一個科學理論是否正確。

當然，今天的科學家已經知道，日心說也是錯的。宇宙的疆域，其實遠比古人最瘋狂的想像還要遼闊。那他們是怎麼知道的呢？答案依然是通過天文觀測。可能有些聰明的小朋友要問了：「你滿口都是天文觀測。到底有什麼了不起的觀測能讓我們認識整個宇宙啊？」答案其實很簡單，那就是我們最熟悉的距離測量。

距離測量是最基本的物理學實驗。在日常生活中，人們一般都是直接拿尺子來量。比如說，上一講提到的諾伍德，就是用尺子一點一點地量出從倫敦到約克的距離，進而推算出了地球的周長。但是在天文學中就沒法用尺子量了，因為我們離那些天體的距離實在太遠了。那該怎麼辦呢？聰明的天文學家想出了不少好辦法。下面我就給大家講講其中最重要的兩種方法。

第一種方法叫作三角視差。為了理解它，咱們可以做個小實驗。伸出一隻手指，放在靠近鼻子的地方，然後分別閉上左眼、右眼，只用一隻眼睛來觀察它。你會發現手指相對於背景的位置發生了偏移。手指明明沒動，為什麼它的位置會改變呢？這是因為你前後兩次看它的位置發生了改變。這個由於觀察者自身位置改變而導致被觀察物體位置偏移的現象，就是視差。現在，把手指放在比較遠的地方，重複這個實驗，你會發現手指的位置偏移變小了。這說明被觀察物體的視差越小，它離我們的距離就越遠。

有了視差的概念，我們就可以用幾何學的方法來測量遙遠天體的距離了。下面這張圖就是用三角視差法測量距離的原理圖。我們都知道，地球每年會繞太陽一圈。如果地球在春分的時候運動到圖中的A點，那麼半年以後，也就是秋分的時候，它會到達離A點最遠的B點。現在把A點和B點當成是一個人的左眼和右眼，分別從這兩個地方來觀察一顆離我們不太遠的星星，就會發現這顆星星在遙遠天幕上的位置發生了變化。從B點看來，相對於在A點，星星的位置會向左移動。這個向左的偏移量可以轉化為一個角度，叫作星星的週年視差角。科學家已經測出，地球到太陽的平均距離約為1.5億公里，相當於地球周長的3750倍。我們通常把這個日地距離稱為1個天文單位。用1個天文單位除以星星的週年視差角，就可以算出我們到這顆星星的距離。

不過這個三角視差法是有局限性的：它無法測量與我們相距太遠的星星。這是因為它們所對應的「週年視差」角度實在太小，根本測不出來。所以對於特別遙遠的天體，天文學家一般採用第二種方法測量，它被稱為標準燭光。

我們都有這樣的生活經驗：一根點燃的蠟燭，要是放在近的地方，看起來就比較亮；要是放在遠的地方，看起來就比較暗。這是為什麼呢？下圖就解釋了其中的原理。愛因斯坦告訴我們，光是由一個個被稱為光子的微小顆粒組成的。只要蠟燭的絕對亮度是固定的，則它在單位時間內發出的光子總數也是固定的。這些光子會呈球形均勻地向外擴散，隨著擴散距離的增大，這個球的面積也會越來越大。因為整個球面上的光子都是由蠟燭發出的，其總數會一直保持不變，所以單位面積上的光子數目會相應減少。換句話說，在遠處，我們眼睛能接收到的單位面積的光子數會減少，這也會使光的可視強度變小，所以我們才會覺得蠟燭變暗了。更重要的是，蠟燭的可視亮度與我們和蠟燭距離的平方成反比。比如說，如果距離擴大4倍，蠟燭的可視亮度就會減小到原來的1/16。

所以蠟燭還有一個意想不到的用途：用來測量距離。只要能確定一根蠟燭在一個距離已知的地方的可視亮度，把它拿到更遠的地方後，就可以通過測量新的可視亮度來計算我們到那裡的距離。現在讓我們開一下腦洞。我們要在天上找一種特殊的天體，它同時滿足以下兩個條件：1、特別亮，即使相距非常遙遠也能看到；2、光學性質穩定，其絕對亮度固定不變。在這兩個條件中，第二點更難滿足。但只要能找到這樣的天體，我們就可以把它當作蠟燭來測量宇宙間的距離。這種特殊的天體就是我們前面提到過的標準燭光。

給大家看一張在天文學史上赫赫有名的照片。圖中唯一的男士叫愛德華·皮克林，他在1877-1919年期間一直擔任哈佛大學天文台的台長。在他當台長前，哈佛大學天文台根本不僱用女性，裡面全都是男員工。有一次，皮克林被笨手笨腳的男助理惹火了，大罵他做事還不如自己家的女傭麻利。結果皮克林一不做二不休，乾脆炒了這個人，並真的雇了自己的女傭來做台長助理。皮克林沒看走眼，前女傭表現得出類拔萃。從那以後，皮克林就索性只雇女員工了。他這麼做最大的理由是，當時女員工的工資都很低，還不到男員工的一半；所以只雇女員工的話，就可以多雇很多人來打工了。皮克林很快就建立了一個完全由女性組成的研究團隊；她們全都沒讀過博士，但都對學術研究充滿了渴望和熱情。這張照片，就是皮克林的研究團隊在1913年的合影。這些女士被稱為哈佛計算員，有時也被戲稱為「皮克林的後宮」。正是這麼一群貌不驚人的女士，讓哈佛大學天文台從一個原本不入流的小機構，一躍成為享譽世界的天文學研究中心。

1892年，一位叫亨麗愛塔·勒維特的女士遭遇了一個巨大的不幸：剛從大學畢業的她，由於一場嚴重的疾病而徹底失去了聽力。在那個年代的美國，受過高等教育的女性主要有三條出路：教師、護士和家庭主婦。但這次人生變故，讓這三條出路都化為了泡影。不過一年後，她得到了一個在哈佛大學天文台當計算員的機會。儘管每週只能掙十美元，勒維特還是很開心地來到哈佛，加入了「皮克林的後宮」。據同事後來回憶，勒維特一直很敬業、內向、不苟言笑、與世無爭。恐怕當時誰也無法想像，正是這位平凡到不能再平凡的失聰女士，第一個敲響了哥白尼日心說的喪鐘。

我們在天空中看到的絕大多數星星，其亮度都是固定不變的。但天上還有很多很奇特的星星，它們的亮度會隨時間而發生改變，這就是所謂的變星。在諸多變星中有一類比較特殊的，被稱為造父變星，它會像心跳一樣有節奏地脈動，從而使其亮度發生週期性的改變。換句話說，造父變星會不斷地由亮變暗，再由暗變亮，如此循環往復。科學上把這個變化的週期稱為光變週期。一般來說，造父變星至少比太陽亮一千倍以上，所以即使相距很遠，我們也能看到它。

1908年，通過對麥哲倫星雲中上千顆變星的詳細研究，勒維特發現，造父變星滿足一種非常奇妙的規律：在距離相同的情況下，造父變星的可視亮度和它的光變週期成正比。也就是說，一顆造父變星完成一輪完整循環所花的時間越多，它所能達到的最大亮度就越大。這個規律被稱為造父變星的周光關係，也叫勒維特定律。它意味著，只要選擇那些光變週期完全相同的造父變星，我們就能得到一大批絕對亮度完全相同的天體。這就是歷史上發現的第一種標準燭光！這個偉大的發現，讓我們能夠精確測量那些極其遙遠的天體的距離。從那以後，人類就不必在書齋裡空想宇宙的樣子，而可以用望遠鏡來直接地觀測它。宇宙學也由此成為一門真正意義上的現代科學。

遺憾的是，這個偉大的發現並沒有給勒維特本人帶來什麼好處：她沒有得到任何學術界的嘉獎，沒有得到一個教授的職位，甚至沒有得到一張博士文憑。很多年後，她依然是一個本科學歷、周薪10美元的計算員。1921年，當哈羅·沙普利繼任哈佛大學天文台台長的時候，勒維特終於得到了重用，被任命為恆星光譜部門的負責人。但在1921年年底，勒維特就因身患癌症而與世長辭。她被葬在了馬薩諸塞州劍橋市她家族的墓地裡，墓碑上沒有半句關於她學術成就的記載。甚至到今天，作為開啟了觀測宇宙學時代的靈魂人物，勒維特依然沒有得到她應得的讚譽。她在公眾間毫無知名度，即使在天文學的教科書中，也只是被當成一個小小的註腳。但我相信，總有一天，勒維特會得到她在天文學史上應得的地位。這個名字，即使被放在註腳中，依然光彩照人。

現在我們已經知道，宇宙學是一門基於距離測量的觀測科學。我們也有了一些關於天文學距離的概念：地球的周長是4萬公里，約為950個馬拉松的總長；地球與太陽相距1.5億公里，相當於地球周長的3750倍，它通常被稱為1個天文單位。對我們的日常生活而言，這些距離全都是大得不得了的天文數字。但對於整個宇宙，它們卻渺小到根本不值一提。為了描述宇宙的尺度，科學家創造了一個新概念，叫作光年。光年是光走一年的距離。它大約是94600億公里，相當於63000多個天文單位。這是什麼概念呢？目前人類造出的速度最快的飛行器就是我們熟悉的旅行者1號，它當前的速度已經超過了每秒17公里，相當於音速的50倍。這意味著，旅行者1號要想飛完1光年的路程，需要花上17000多年。要知道，真正有文字記載的人類文明史，也只有此數字的一個零頭。

好了，現在我們已經做好所有的準備，可以開始一次宇宙之旅了。我們將坐上一艘想像的宇宙飛船，從地球出發，一直漫遊到宇宙的邊緣。

這次旅行的第一站是我們生活的太陽系。上面這張圖大致地描繪了太陽系的面貌。太陽系的主角是位於中心的太陽，它是太陽系中唯一能發光的天體，質量占太陽系總質量的99%以上，並以其強大的引力主宰著整個太陽系，讓其他天體都像朝聖一樣圍繞它旋轉。在這些朝聖的天體中，最引人注目的是所謂的八大行星，從內到外依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。正如我們在第一講裡提到的，它們都位於同一個平面（科學上稱為黃道面），並且朝著同一方向繞太陽旋轉。裡面的4顆行星質量和體積都比較小，主要由固體構成，叫作類地行星；外面的4顆行星質量和體積都比較大，主要由氣體構成，叫作類木行星。

這麼講有點過於抽像了。我給大家看一張把八大行星等比例縮小的圖，讓你們直觀地感受一下它們的大小。可以看到，最大的行星是木星，其半徑是地球的11倍。換句話說，如果把木星當成一個容器，裡面能放下1300多個地球！

不過，木星也只是一個小角色。這次我們把太陽也納入對比。很明顯，地球就變成了一個小點了。那太陽到底有多大呢？其半徑是地球的109倍。也就是說，一個太陽裡能放下130萬個地球！

可能有些小朋友會問了：「太陽系中有那麼多的天體，為什麼就只有這8顆行星呢？」答案是，要想成為一顆行星，必須得越過兩個門檻：首先，要有足夠的質量，使自身的形狀能一直保持為球形；其次，要有足夠強的引力，能把鄰近軌道的所有小天體都清除掉。這是兩個很高的門檻，把太陽系內絕大多數的天體都給刷掉了。不過這個關於行星的定義非常新，是2006年在捷克首都布拉格召開的國際天文聯合會上確定的。

行星定義的變遷連累了兩個倒霉蛋。它們都曾被視為行星，後來又被無情地踢出了行星的行列。

第一個倒霉蛋是谷神星。它的發現過程是個很有趣的故事。天文學家很早就注意到了一件怪事：在太陽系的這些行星中，就數火星與木星相距特別遠。有些人就猜測，會不會在火星和木星之間還有一顆行星呢？但是很長時間內都沒有人能找到它。1801年1月1日，一個叫朱塞普·皮亞齊的意大利神父偶然看到了一個很小的天體，它的運動速度比火星慢，又比木星快，所以應該位於火星和木星之間。但皮亞齊還沒高興多久，倒霉的事情就發生了：在確定這個天體的軌道之前，皮亞齊突然病倒了，等他恢復健康、重新回到望遠鏡旁工作的時候，這個天體已經跟丟了。

按正常情況，皮亞齊就要與這個發現失之交臂了。但這時，他的貴人登場了，那就是德國數學王子高斯。高斯提出了一種計算行星軌道的新方法，硬是用皮亞齊不太完整的觀測數據，把這個天體的軌道給算出來了。後人利用高斯算出來的軌道，重新找到了這個天體，並且證明它確實處於火星和木星之間。這個失而復得的天體就是谷神星。

一開始，人們都把谷神星當成一顆真正的行星。然而沒過多久，天文學家就在與谷神星鄰近的軌道上，又發現了好幾個更小的天體。所以天文學家威廉·赫歇爾建議，與其他天體共用一個軌道的谷神星根本就沒有當行星的資格，只能算是一顆小行星。而這個介於火星和木星之間、有大量小行星活動的環形區域，則被稱為小行星帶。目前，人們已經在此區域發現了超過10萬顆小行星。

谷神星

另一個倒霉蛋是名氣更大的冥王星。小朋友們的爸爸媽媽應該都記得，在很長一段時間裡，小學的教科書都一直說太陽系裡有九大行星。這第九顆行星，就是美國天文學家克萊德·湯博於1930年在海王星軌道外側發現的冥王星。去年，冥王星又刷了一次存在感：一個叫新視野號的空間探測器飛臨冥王星，看到上面有一個很可愛的心形區域。這麼萌的冥王星，為什麼會被趕出了行星的行列呢？因為它遇到了一個豬隊友。

冥王星

2005年，美國天文學家邁克·布朗在冥王星外圍又發現了一個新的天體，它的體積比冥王星略小，但是質量卻比冥王星大了近30%。布朗很興奮，把這個新天體命名為鬩神星，宣稱它是太陽系的第十個行星。但是布朗的發現帶來了一個問題。如果把鬩神星算成行星的話，另外的兩個天體，包括我們前面提到的谷神星和冥王星的衛星卡戎，也將具備升級為行星的資格。

所以在2006年的國際天文聯合會上，一個專門給天體命名的委員會提出了一個議案，要把太陽系的行星擴容為12顆。這個議案一提出，立刻引發了與會天文學家的一片罵聲。大家紛紛表示12顆行星太荒謬，絕對不能讓它來毒害後代。無奈之下，委員會只好提出了一個新議案，建議修改行星的定義，把「能夠清除鄰近軌道的其他小天體」也列為行星的必要條件。按這個標準，冥王星將被踢出行星的行列。這個新議案最後獲得了通過。就這樣，鬩神星自己沒當上行星，還把冥王星也拖下了水。現在，人們給谷神星、冥王星和鬩神星設定了一個新的類別，叫作矮行星。

現在學術界普遍接受，在海王星軌道之外還存在一個新的小行星帶，叫作柯伊伯帶。柯伊伯帶是一個距離太陽40到200個天文單位的環形區域，裡面有大量的冰封物體，有點像是太陽系的城鄉結合部。我們前面提到的冥王星和鬩神星都位於這個區域。不過柯伊伯帶依然不是太陽系的邊緣，因為在它外面還有一個傳說中的奧爾特星雲。

小朋友們應該知道，太陽系中還有一種天體，叫作彗星。它是一個巨大的髒雪球，沿著狹長的橢圓形軌道繞太陽旋轉。太陽發出的熱風能讓彗星上的冰揮發，從而形成一根長長的彗尾。因此，過上一定的時間，彗星就會被太陽完全摧毀。那麼問題來了：太陽系已經存在了將近50億年，為什麼還有很多彗星沒被摧毀？

1950年，荷蘭天文學家奧爾特提出，在太陽系的最外圍存在著一個巨大的球狀氣體雲，被稱為奧爾特星雲。它受到太陽引力的束縛，所以依然是太陽系的一部分。奧爾特星雲是一個巨大的冰庫，裡面可能有上百萬顆彗星。我們現在之所以還能看到彗星，就是因為有這個大冰庫在源源不斷地提供補充。可能有小朋友要問了，這個奧爾特星雲到底離我們有多遠呢？答案是驚人的1光年！

現在我們來盤點一下整個太陽系的家當。從內往外數，太陽系包括太陽、4顆類地行星、小行星帶、4顆類木行星、柯伊伯帶和奧爾特星雲，其半徑能達到1光年之遙。不過我們馬上就會看到，太陽系只是宇宙的滄海一粟而已。

現在我們到了宇宙之旅的第二站，也就是太陽系的星際近鄰世界。在這片半徑為20光年的區域裡，分佈著上百顆恆星。而在這些鄰近恆星中，最有名的就是半人馬座α三合星。它正是我國著名科幻作家劉慈欣描繪過的那個三體世界。

半人馬座α是離我們最近（大概有4.2光年）的恆星系統。它由三顆恆星組成：半人馬座αA星、半人馬座αB星和比鄰星。不過，和劉慈欣筆下那個危機四伏的三體世界不同，真實的半人馬座α世界並沒有那麼凶險莫測。這是因為半人馬座α三合星的運動情況其實更像一個兩星系統。半人馬座αA星和B星是兩顆與太陽非常相似的恆星，彼此僅相距十幾個天文單位；而質量僅有太陽12%的比鄰星，與它們相距13000個天文單位，相當於0.21光年。因此，實際情況是AB雙星先構成一個彼此繞轉的兩體系統，然後這個兩體系統再與比鄰星構成一個更大的兩體系統。與三體系統不同，兩體系統的運動規律是可以準確預測的。所以要是真有三體人，他們也不會整天活在末日將至的惶恐中。

2016年8月出了一個轟動的大新聞：天文學家在比鄰星附近發現了一顆叫比鄰星B的行星，它有可能適宜生命居住。可能有些小朋友要問了，「為什麼這顆行星會適宜生命居住呢？」答案是，它滿足生命存在的一些最基本的條件。

一般認為，一顆行星上要想誕生生命，需要滿足以下幾個條件。第一，它必須是一顆固體行星；這是因為氣體行星太不穩定，生命根本找不到任何落腳點。第二，它必須處於宜居帶；換言之，要剛好位於離恆星距離合適的地方，不能太近也不能太遠，否則溫度太高或太低都會使液態水無法存在。第三，它要有大氣和磁場；不然無法保證晝夜溫差的穩定，也無法抵禦來自恆星的危險射線的傷害。

比鄰星B的質量大概是1.3倍地球質量，而要想變成氣體行星至少得達到8～10倍地球質量，所以它只能是一顆固體行星。比鄰星B與比鄰星之間的距離，相當於地球和太陽間距離的1/20；但由於比鄰星很暗，發出的可見光能量只有太陽的1/600，所以這個距離恰好處於宜居帶的範圍。至於比鄰星B上有沒有大氣和磁場，目前我們還不得而知。但這已經讓很多人，尤其是那些三體的粉絲興奮不已了。

但對生命而言，比鄰星B依然是一個恐怖無比的地方。這是因為比鄰星雖然在正常情況下不會輻射太多的能量，但它會時不時地爆發。在爆發狀態下，它會釋放出比太陽還要強很多的能量。這些爆發的能量在如此近的距離打到比鄰星B上，就相當於用數不清的氫彈把比鄰星B炸了個底朝天。我們不妨來開個腦洞。如果比鄰星B上真有三體人，那會如何？說實話，那人類就真的要遭遇滅頂之災了。因為地球人最厲害的核武器已經對三體人毫無效果了。

接著是這次旅行的第三站，也就是下圖中那個橫跨夜空的棒狀結構，銀河系。如果說星際近鄰世界是太陽居住的社區，那麼銀河系就是太陽居住的王國。就在100年前，人們還普遍相信銀河系就是宇宙的全部。但今天，我們的宇宙觀已經發生了翻天覆地的變化，這種轉變要從一場辯論說起。

1920年4月26日，在紐約史密斯森自然歷史博物館，舉行了一場歷史上赫赫有名的辯論，辯論的主題就是「銀河系是不是宇宙的全部」。參加辯論的是兩位著名的天文學家，哈羅·沙普利和希伯·柯蒂斯。

我們前面已經提到過哈羅·沙普利。他一生中最大的貢獻是用造父變星測量了銀河系中大量恆星的距離，從而證明了太陽並非位於銀河系的中心。所以他一當上哈佛大學天文台台長，就立刻提拔了失聰女科學家勒維特。1925年，一位瑞典科學院的院士寫信給哈佛大學天文台，說他打算提名勒維特為諾貝爾物理學獎候選人。沙普利回信說，勒維特女士已經於4年前去世了，不過與勒維特發現造父變星是一種標準燭光相比，他本人用造父變星來測量銀河系距離的工作其實更有意義，所以建議改成提名沙普利去評選諾貝爾物理學獎。可惜那位瑞典科學院院士根本沒搭理他。

在這場舉世矚目的大辯論中，沙普利宣稱銀河系就是宇宙的全部，而柯蒂斯主張銀河系只是宇宙中很小的一部分。爭論的焦點集中在一些遙遠的星雲，例如仙女座星雲和紙風車星雲，它們到底是銀河系中的一團氣體，還是與銀河系一樣的星系。沙普利一口咬定是前者，而柯蒂斯則堅持認為是後者。搞笑的是，辯論的雙方其實都算錯了銀河系的大小。沙普利算出銀河系的直徑有30萬光年，此數值明顯偏大；而柯蒂斯則算出銀河系的直徑只有3萬光年，此數值又明顯偏小。所以你可以想像，儘管兩個人都引經據典、擺出了一大堆支持自己的論據，但最後誰也無法說服對方。

哈勃

這次辯論沒能讓真理越辯越明，但它還是給未來的研究指明了方向。關鍵就是要更準確地測量距離。很快，解決問題的人登場了，他就是美國大天文學家哈勃。

哈勃出生在一個家境優裕的家庭。學生時代的哈勃是一個很出色的運動員，曾經在一次中學的運動會上一口氣拿到7個比賽的冠軍。再加上他相貌英俊，所以一直都很受歡迎。儘管有這麼多的優點，哈勃卻是一個臉皮極厚的吹牛大王。他聲稱自己曾在一場拳擊比賽中，把一個世界冠軍打倒在地。稍有常識的人都知道，這根本就不值一駁。他還說在他去芝加哥大學讀博士以前，已經在法律界混得風生水起。實際上，那段時間他一直在一所中學當任課老師和籃球教練。最後，他甚至宣稱自己曾在第一次世界大戰的戰場上，護送一群驚慌失措的難民到達安全的地方。但事實上，他在停戰協議簽訂前一個星期才抵達法國，根本就沒上過戰場。

1919年，哈勃在威爾遜山天文台找到了一個職位。在那裡，他利用當時世界上最大的望遠鏡，很快得出了一個轟動世界的發現。1924年，哈勃在仙女座星雲中找到了造父變星，並利用它測出仙女座星雲（現在我們都叫它仙女座星系）與我們至少相距上百萬光年。這個發現立刻終結了四年前那場大辯論。人類終於意識到，就連銀河系都不是宇宙的中心。不過，這個發現並非哈勃一生中最大的貢獻。1929年，哈勃又得出一個震驚世界的發現。他觀測了幾十個遙遠的星系，發現它們全都在離我們遠去，而且與我們相距越遠的星系，遠離我們的速度就越快。這意味著整個宇宙都在膨脹！我們將在下一講解釋這個發現的意義。

下面給大家看看銀河系的全貌。銀河系像一個旋轉著的巨大圓盤，直徑超過10萬光年，厚度不到2000光年，其中至少包含1000億顆恆星。銀河系的中間鼓起了一個直徑為1萬光年的大圓球，被稱為銀核。在銀核正中心還隱藏著一個危險的龐然大物，那是一個質量為400萬倍太陽質量的巨大黑洞。銀核外的盤狀結構被稱為銀盤。銀盤上還有幾個恆星比較密集的區域，被稱為旋臂。旋臂裡的恆星不是固定不變的。大家可以想像城市裡的交通堵塞。不斷有汽車進入，也不斷有汽車離開，但這個堵塞區整體上還是保持不變。這個堵塞的區域就是旋臂。我們的太陽系目前就位於其中一條旋臂——獵戶座旋臂之中，離銀河系中心大概有28000光年。在銀盤之外還有一個更大的球狀區域，叫銀暈，裡面稀稀落落地分佈著一些年老的恆星。

這麼講有點太抽像，我們還是來打個比方吧。如果把太陽系看作一個城市，它的中心城區可以一直劃到海王星；這個中心城區的直徑有60個天文單位，大致為100億公里。現在我們來比較一下地球、太陽系和銀河系的大小。首先，把地球縮小到只有一個籃球那麼大。這時按等比例縮小的太陽系有多大呢？大概相當於一個以北京到天津的距離為直徑的圓球。接著，把太陽系也縮小到只有一個籃球那麼大。這時按等比例縮小的銀河系有多大呢？就相當於整個地球。

小朋友們可以看看右邊這張圖，來直觀地感受一下銀河系的浩瀚。我們肉眼能看到的所有天體加起來，在圖中都是微不足道的。

再下來是這次旅行的第四站，我們終於飛出了銀河系，來到了星系際空間。自從哈勃發現仙女座星雲其實也是一個獨立的星系後，天文學家們又陸陸續續地在銀河系周圍發現了大約50個其他星系。在這些星系中，銀河系是排名第二的大塊頭，僅次於與它相距250萬光年的仙女座星系。更有意思的是，就像不同的國家可以結盟一樣，這50個星系也在引力的作用下組成了一個大型的聯盟，叫本星系團。這個本星系團的直徑有600多萬光年。銀河系和仙女座星系是本星系團的兩大盟主，其他那些小星系都得繞著它倆旋轉。

後來，天文學家用更強大的望遠鏡發現了更多的星系。但有個問題一直懸而未決：宇宙中到底包含多少個星系？很長一段時間裡，科學家對此完全沒有任何頭緒。直到20多年前，一個著名的天文觀測才給這個疑難問題帶來了一絲曙光。

1995年12月18日，天文學家把哈勃空間望遠鏡指向了大熊星座中一塊看似空無一物的區域。這塊區域（右圖中標記的那塊）的範圍很小，僅佔整個天空總面積的2400萬分之一，相當於100米外的一顆網球。為了能拍清楚，科學家對這塊區域持續觀測了10天，然後把拍到的底片曝光了342次，並將它們疊加，合成了一張照片。

右邊就是他們合成的那張照片。這就是著名的「哈勃深場」。大家看到了吧？一塊原本空無一物的區域，竟然藏著超過3000個星系！用這個數字乘以2400萬，科學家估算出整個宇宙應該包含超過800億個星系。後來，在2003年和2012年，天文學家把這個實驗重做了兩次，得到了兩張新的圖片：「哈勃超級深場」和「哈勃極端深場」。最新的觀測顯示，宇宙中包含的星系數量應該超過2000億！

我們已經知道，整個宇宙至少包含2000億個星系，而平均每個星系又至少包含1000億顆恆星，所以宇宙中恆星的總數至少有200萬億億個。這是什麼概念呢？假如讓生活在地球上的70億人都來數星星，且每人每秒能數一個，那麼要想數完宇宙中所有的恆星，至少要花上9萬年。也就是說，這70億人要從我們的智人祖先離開非洲的時候開始數星星，一直連續不斷地數到今天，才有可能把天上的恆星數完。

最後，我們終於來到了這次旅行的終點，也就是整個宇宙的邊緣。讓我們回過頭來，看一看宇宙的全貌吧。下圖就是科學家用計算機模擬出的整個可觀測宇宙的全貌。圖中橫軸上方標記的每一個白色的小格，都代表著10億光年的距離；也就是說，那一小格就比銀河系的直徑還要大1萬倍。我們再來開最後一次腦洞。如果把銀河系也縮小到只有一個籃球那麼大，那麼按等比例縮小的可觀測宇宙有多大呢？大概也相當於一個以北京到天津的距離為直徑的圓球。

最後要問大家一個問題：看了這幅宇宙的全貌圖以後，你覺得宇宙從整體上看有什麼特徵？相信這個問題會難倒不少小朋友，因為你們會覺得它完全沒有任何的特徵。但事實上，沒有特徵其實就是宇宙最大的特徵，它說明在最大的宇宙學尺度上，宇宙在各個地點、各個方向上看都是一樣的。這是一個極端重要的觀測，它說明整個宇宙根本就沒有任何中心。

最早人類認為地球是宇宙的中心，結果被伽利略證明是錯的；然後人類認為太陽是宇宙的中心，結果被沙普利證明是錯的；後來人類認為銀核是宇宙的中心，結果又被哈勃證明是錯的。那宇宙的中心到底在哪裡呢？現在我們知道，宇宙根本就沒有任何中心。這就是著名的哥白尼原理，它已經被視為現代宇宙學的基石。

通過這次宇宙之旅，小朋友們應該已經瞭解宇宙是什麼樣的了。它是一片跨越了數百億光年的廣闊空間，沒有任何中心；裡面包含了至少2000億個星系和200萬億億顆恆星，而且這些物質還非常均勻地分佈在其中。可能有些聰明的小朋友會問了，「那宇宙是從哪裡來的？它又將往何處去？」這就是我在後面兩講中所要回答的問題。