說真的，宇宙怎麼測量？

冰子果子今日話題：宇宙測量

（視頻放在文章後面）

我們分成兩部分：

第一部分探討如何測量宇宙？

第二部分探討宇宙有多大？宇宙的邊界在哪裡？

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宇宙學原理

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要測量宇宙，人類也只能使用地球上發現的規律，去套用到宇宙。這被稱為宇宙學原理。

天文學是一個研究遠方的科學。舉個例子。原先月亮是天文學家研究的對象，後來人類登錄了月亮之後，研究月亮的主力就不再是天文學家，而是地質學家。

我們國家的登月項目中，首席科學家就是地質學家。

人類通過測量發現，138億年前宇宙發生了一次大爆炸，然後才誕生了宇宙。

這被稱為宇宙大爆炸學說，這是主流公認了50多年的觀點。最近這個觀點開始被其它觀點動搖。所以在這裡聲明，這一套視頻仍然延用宇宙大爆炸觀點作為框架基礎進行探討。

人類並不特殊

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暗物質的發現

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有人說，宇宙這麼大無奇不有，什麼都套用宇宙學原理，早晚會翻車。

1937年，天文學家，裡茨茲威基，觀察到一個星系團，於是他就套用宇宙學原理，將地球的引力理論套用到那個星系團裡進行計算，結果發現不對勁。這些星系的速度太快了，根本不可能吸住裡面的天體。但是為什麼還能穩定的運行呢？

那個時候，懷疑宇宙學原理不可通用。可是天文學界認為宇宙學原理是天文學第一性原理，如果數據不對，那一定是還有什麼沒有被發現。

於是暗能量概念就產生了。暗能量看不見摸不著，卻提供5倍的引力。這樣的話，宇宙學原理就沒有錯了。

但是，暗能量給天文學界帶來了大麻煩。因為在原來的物理體系裡，物質是由電子、夸克等六十多個基本粒子組成，這些粒子裡卻不能夠表達暗能量。所以造成了底層理論要修改，更麻煩的是還不知道怎麼個改法。直到今天有人提出了弦理論，仍然無法進行暗能量的描述。

暗物質模擬

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柯伊伯行星帶的發現

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還有柯伊伯行星帶也是這樣被發現的。因為宇宙學原理不適用冥王星的數據計算，但是天文學家也只能參考宇宙學原理，最後還是那句話，既然宇宙學原理沒有錯，又無法套用，那說明還有什麼沒有被發現。

果然，後來真的發現了冥王星的衛星。

可是最終只解決一小部分數據問題，宇宙學原理還是不能完全套用到冥王星上。就這樣一直發現了更多冥王星的衛星，還是不能完全在冥王星上套用宇宙學原理。

一直到後來，發現了柯伊伯行星帶，宇宙學原理才能完全套用到冥王星身上。而冥王星的衛星也被糾正了，它們都不是冥王星的衛星，都是柯伊伯行星帶的同等級主人。

再次證明宇宙學原理是非常有用的原理。也證明了，地球在宇宙中並不是特殊的存在，地球上的認知是可以套用到宇宙中去的。

不過因為發現了柯伊伯行星帶，導致了天文學上著名的事件，冥王星被開除，不再是第九大行星。

何伊伯行星帶

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光譜的原理

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宇宙學原理只能作為一個基礎理論，要觀測宇宙，還要靠光譜儀。

光譜儀可以分析出宇宙天體所含的元素是什麼。哪怕看到的天體只是一個亮點，都能進行光譜分析。

最早是牛頓發現了，三條稜的鏡子可以將光折射成彩色的光。這彩色的光就是光譜。從紅色到紫色，超出紅色部分，但是肉眼看不見的叫紅外線，超出紫色部分，但是肉眼看不見的叫紫外線。

這些顏色就是光的頻率，所以光本身是一種不同頻率的波。

科學家發現這些光譜中總是有一些暗線，這些暗線並不相同，後來驗證了這些不同的暗線代表著不同元素。所以光譜又被稱為元素的指紋。

通過分析太陽光譜，看到了一種從來沒有見過的元素指紋，也就是現在的氦元素。

後來還發現，不發光的物體也能分析元素指紋，因為物體能發出什麼樣的光譜，就會吸收什麼樣的光譜。看物體吸收了什麼光譜，就能知道它是什么元素構成的。

光譜分析真的是很好用，這樣就能分析天上遙遠的星星是什么元素構成的。通過光譜分析，各種天體的元素並沒有什麼不同，都是一樣的。再次證明宇宙學原理通用性。

就像上次視頻有人問我，小行星裝著白金掠過地球，是怎麼被知道的？就是用光譜儀分析知道的。

光譜實驗室

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紅移事件

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可是有一次光譜儀發生了問題，一些天體被分析出從來沒有見過的光譜。天文科學家趕緊驗證設備，發現並沒有故障。所以剛開始以為這是新元素發現。

這樣的話，一直適用於宇宙的，宇宙學原理將會再次被挑戰。

不過最後還是被糾正了，不是新元素發現，而光譜被拉長了，導致光譜往紅色那端偏移了。只要去掉偏移部分，光譜顯示的就是正常元素。這是個著名的事件，被稱為紅移事件。

這個被拉伸過的光譜曝露了宇宙的驚天大秘密，就是第二部分要探討的宇宙邊界在哪裡？宇宙有多大？這個秘密就是宇宙正膨脹，並且超過光速，才導致了光譜被拉伸了。

因為這個事件，天文科學家推導出了宇宙大爆炸理論，並且一直延用到現在。時間大約是138億年前。因為太久遠，導致紅移的部分太誇張，已經膨脹成了微波，所以最早的宇宙發出的光譜被稱為宇宙微波背景輻射。

到了這裡，已經足夠證明地球上的基本認知是可以套用到整個宇宙的，宇宙學原理是非常堅實的理論的。

這也是為什麼愛因斯坦能夠在科學不發達的年代，推導出黑洞的存在，並畫出黑洞的樣子。前些日子，天文學界，公布的黑洞照片，與愛因斯坦畫的黑洞是一致的。

紅移示意圖

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測量天體的三種方法

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那麼到底是怎麼測量天體的距離的呢？

首先是恆星視差法。

在地球公轉的不同位置，看太陽角度會發生變化，然後用三角函數就能算出距離。

方法雖然傳統而簡單，可是這種方法不能測量比較遠的天體。

後來有了新的測量方法，叫標準燭光法。大概意思是通過光譜分析，或者通過閃爍頻率識別遠方天體的光度，有了光度就能像工廠裡生產燈泡一樣，靠識別對應光度的型號，就能測出距離。

還有一種方法能夠測量更遠的天體，就是紅移測距法。

離我們越遠的天體，紅移的越嚴重。138億前年的宇宙微波背景輻射中的微波，是由當時的光，拉伸膨脹到了1000倍才成為了微波，所以是可以計算出實際距離的。

那麼宇宙的邊界可不可以用紅移測距法測量出來呢？我們在測量宇宙的第二部分再探討。

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