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我们如何知道宇宙的大小、年龄、起源和性质，那么天文学是怎样支持进化论的，我们今天就讨论下这个问题。 在美国的皮尤研究中心（Pew Research Center），其中有一项调查发现，三分之一的人认为，人类和其他生物自远古时代以来就以现在的形式存在。有三分之一的成年人反对进化论，可进化论是生物学的基础理论，所以他们还间接地拒绝接受目前地质学、物理学和天文学的一些基础。关于这项调查的大部分评论大都集中在宗教和哲学上，所以我们今天就来谈下天文学的宇宙演化论是怎样支持进化论的？我们是怎样知道星系离我们有多远？我们是怎样知道宇宙有数百亿年的历史呢?这一切都要从天上的星星说起....... 通过天体距离测算宇宙年龄我们确定宇宙年龄的一种方法是通过宇宙天体之间的距离确定的。由于光以有限的速度传播，来自遥远星体的光到达我们这里就需要时间。我们能看到的距离越远，那么宇宙就一定越古老。那么一万年光会走多远呢?不是很远，就是上图中的黄圈。对于黄圈以外的任何物体来说，光到达我们的位置都需要超过1万年的时间。如果宇宙只有10000年的历史，我们将看不到黄圈之外的任何东西。那么在黑暗的夜空中银河系微弱的光芒大部分都会丢失。大麦哲伦云？完全不见。仙女座星系？也看不见。一个年轻宇宙的夜空将会更加黑暗。 我们如何测定宇宙天体之间的距离那么我们如何测定的宇宙星体之间距离呢?实际上有几种方法可以帮助我们确定宇宙天体距离，这些方法结合在一起就形成了所谓的宇宙距离阶梯。 Q1、视差偏移效应——距离第一梯队 最直接的方法是利用视差的特性。当你从两个稍微不同的位置看一个物体时，就会产生视差。当你看着一个物体时，你的每只眼睛都有略微不同的视角。你的大脑利用这些信息来确定你看到的物体哪些离你近一些，哪些离你远一些。这也是为什么我们去看3D电影时，必须戴上特殊的眼镜。这副眼镜能确保我们每只眼睛都有一个略微不同的视角，这就给了我们一个深度错觉。如果我们在看电影的时候摘下眼镜，画面就会变得模糊。这是因为没有视差效应，电影中的画面重叠在了一起。 我们可以通过一个简单的实验来看到视差的影响。把你的大拇指举出一个手臂的距离，现在用一只眼睛看它。在大拇指不动的情况下，我们换个眼睛，这时你会看到你的拇指相对于较远处的物体发生了移动，这种偏移称为视差偏移。如果你把拇指靠近你的眼睛再做一次实验，你会发现视差偏移更大。所以距离越远，视差偏移就更小。 用三角函数的知识，我们就可以通过测量一个物体的视差来计算这个物体和我们之间的距离。这就是天文学家如何利用地球的运动来测量附近恒星距离的办法。地球绕太阳公转的半径是1.5亿公里。通过观察一颗恒星在特定夜晚的位置，然后在几个月后的一个夜晚，天文学家可以从两个角度测量恒星的视差位移。视差偏移越大，恒星就离我们越近。目前人类发射的盖亚航天器能够以几微秒的精度测量视差，这使我们能够以很好的精度测量30000光年以外的恒星距离。 Q2、造父变星——宇宙距离第二梯队 超过30000光年的距离视差变化就太小了，无法使用，所以我们可以用另一种方法来观察星体的距离，一种叫做造父变星的恒星。造父变星是在一段时间内亮度变化的恒星。第一个观测到这样的恒星是1784年的仙王座δ星(仙王座中第四亮的恒星)，中文名造父一，因此得名造父变星。对于附近的造父变星，我们可以通过视差确定它的距离，我们还可以通过观察确定它的表观亮度(它看起来有多亮)，然后利用一个物理规律，即一个物体的亮度随着距离的增加而降低，我们就能确定它们的绝对亮度(它们实际上有多亮)，这就是所谓的平方反比定律。 在20世纪初，天文学家亨利埃塔·莱维特就分析了1700多颗变星，发现了造父变星的绝对亮度-周期关系。通过观察特定麦哲伦星云中的造父变星，他能够证明绝对亮度(光度)与周期之间的线性关系，如上图所示。这意味着造父变星可以用作“标准烛光”通过观察它们的可变周期，我们就可以确定它们的绝对亮度。然后将绝对亮度与表观亮度相比较，我们就可以确定它们的距离。从哈勃望远镜中，我们可以观察到许多邻近星系中造父变星的变化，因此我们可以测量到大约1亿光年以内的星系距离。 Q3、1a型超新型——宇宙距离第三梯队 在这个距离之外，造父变星的光就变的太微弱了，无法准确的使用，所以我们就需要另外一种方法。这种方法通常是用另一类被称为IA型超新星的标准烛光来完成的。这类超新星的爆发通常发生在一颗白矮星和一颗主序星的双星系统中。 当一颗太阳大小的恒星开始耗尽氢而在其核心发生塌缩时，就会形成白矮星。这颗恒星将进行一段时间的氦聚变，根据恒星的质量，恒星会在其核心融合一些更重的元素，由此产生的热量和光会驱散恒星的大部分外层物质，使其膨胀成一颗红巨星。但有一点这类恒星的质量根本无法持续融合更重的元素。在这之后，恒星的残骸会被重力压缩形成白矮星。在白矮星中，不是聚变的热量和压力与重力平衡，而是通过电子简并压来抵抗恒星的重力，如果电子再被压进质子，就会形成中子星，这需要大质量恒星才能做到。 IA型超新星通常是由一颗白矮星和主序星碰撞或合并造成的。白矮星会通过自身强大的引力吸收附近主序星的物质，当白矮星质量达到1.4倍太阳时，会再次点燃核心聚变，由于反应迅速会导致核心发生剧烈的爆炸，形成1A型超新星爆发。另一种是两颗白矮星碰撞和并也会发生1A型超新星爆发。 这类超新星有个特点，它们总是有着大约相同的光度。我们在距离造父变星已知的星系中已经观察到了IA型超新星。我们可以观察已知星系中这类超新星看起来有多亮，然后根据距离，我们就可以确定它实际上的光度。我们观察了不同的星系发现IA型超新星总是有着相同的光度，这是因为白矮星吸收伴星的物质，到特定的质量后就会发生爆炸，所以它们总是能发出一样的光度。 这一特性意味着我们也可以将它们用作标准烛光来测定遥远星系的距离。如果我们在遥远的星系中观测到IA型超新星，我们就能观察它的光度跟我们已知的光度进行比较，所以我们就可以计算这个星系离我们有多远。这使得我们能够测量数十亿光年的宇宙距离。 我们怎样知道宇宙的年龄？光速再过去的几十亿年里是不是恒定的？现在，作为一个怀疑论者，你可能会指出，上文所说的一切都只表明了宇宙的距离，而不是宇宙的年龄有多么的古老。当然，遥远星系的光现在可能需要数十亿年的时间才能到达我们这里，但是我们怎样知道光速不会随时间而改变呢？那如果光的速度在以前传播的更快呢？我们怎样确定宇宙的年龄？ 我们能够做的就是观察遥远的恒星、星云和星系中原子和分子的辐射光谱。这些光谱就像指纹一样使我们能够识别星系和恒星中都由哪些元素组成。但是我们通过光谱也可以测试物理常数是否随着时间而改变。不仅仅是光速，还有电子的电荷，普朗克常数等等。如果这些常数随着时间的推移而改变，我们观察不同距离星系光谱中的线就会发生相对移动。光谱线条会在某些区域分散开来，而在另一些区域则会收缩在一起。当我们观察遥远的星系时，我们发现它们中的光谱没有任何一个发生这样的变化。考虑到我们设备的局限性，这意味着在过去的几十亿年里，光速的变化不可能超过十亿分之一。所以就我们所能观察和感知到的，光速一直都没有变化。 这意味着当我们看的越来越远时，我们也再回往更遥远的时间。通过多普勒效应，我们知道光源的相对运动可以影响所观察到的光的颜色。如果光源向我们移动，我们看到的光就会发生蓝移。如果光源远离我们，光线就会红移。源移动得越快，位移越大。 我们测量了许多恒星、星系和星团的颜色变化，当我们绘制星系距离与其红移的关系图时，我们发现了一个这样的关系，如上所示，星系距离越远，红移越大。这意味着星系离我越远，它远离我们的速度就越快。距离和速度在各个方向上的关系是相同的，这意味着宇宙似乎在各个方向上都在膨胀。那么如果宇宙在膨胀，它过去的任何一个时刻一定比现在更小。换句话说，宇宙有一个有限的年龄，它刚开始的时候一定非常小，非常密集，温度也非常高。我们把这个起点称为大爆炸。如果计算一下，我们会得到宇宙的年龄为138亿年。 通过宇宙膨胀去反推宇宙的起源和年龄，只是通往宇宙起点的一条道路。我们还有很多其他的观测证据，比如宇宙微波背景、恒星演化、重子声波振荡、氢氦比，更不用说行星科学、地质学和生物学了。这些证据汇集在一起，指向了一个并非数十亿年，而是138亿年的宇宙。 所以天文学揭示的宇宙演化图景，也再支撑着地球演化论和生物进化论。既然宇宙有起点，有开始的时刻，那么我们地球和人类也应当遵循宇宙的基本法则。 |
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