宇宙如此浩瀚，天文学家们如何测量天体之间的遥远距离？

在我们这个星球上，有一份皮尤研究中心的报告揭示，三分之一的受访者固守人类及众多生物自古至今始终保持原样的观念。三分之一的成年人对进化论持反对态度，这不仅仅是对生物学基本理论的否定，他们还间接地拒绝接受地质学、物理学以及天文学的诸多基础理论。这份报告的评论主要集中在宗教和哲学层面，因此，让我们今天探讨一下天文学上的宇宙演化论如何支持进化论，以及我们如何得知星系的距离和宇宙的年龄。这一切，都是从夜空中的星辰开始的......

通过测量星体距离来推算宇宙的年龄

我们确定宇宙年龄的途径之一，便是通过测量宇宙中的天体距离。光的传播速度是有限的，因此，来自遥远天体的光抵达我们所需要的时间是不同的。我们所能观测到的范围越远，宇宙的年龄也就越长。那么，一光年的距离包含了什么？并不是很远，正如上图中的黄色圆圈所显示。任何位于黄色圆圈之外的物体，其光抵达我们的时间都超过了一万年。如果宇宙只有一万年的历史，我们将无法看到黄色圆圈以外的任何事物。这样一来，夜空中的银河系将黯淡无光，大麦哲伦云和仙女座星系也全然不见。一个年轻的宇宙所呈现的夜空会更加漆黑一片。

我们是如何测量宇宙星体之间的距离的？

事实上，测量宇宙星体距离的方法有多种，将它们组合起来便形成了所谓的宇宙距离阶梯。

Q1、视差偏移效应——距离的起始阶梯

最直接的方法就是利用视差的特性。当你从两个略有不同的角度观察同一物体时，便会产生视差。观看物体时，左右眼的角度略有不同，大脑利用这一信息来判断物体的远近。这也是3D电影中我们需要戴上特殊眼镜的原因。这副眼镜保证了左右眼有略微不同的视角，从而产生深度错觉。如果在观看时摘下眼镜，画面就会变得模糊不清，因为没有了视差效应，画面便会重叠在一起。

我们可以通过一个小实验来体验视差的影响。伸出一个手臂，竖起大拇指，然后闭上一只眼，用另一只眼观察它。在大拇指位置不变的情况下，换另一只眼重新观察，你会发现大拇指相对于远处的物体发生了移动，这种移动称为视差偏移。如果你把拇指靠近眼睛再试一次，你会发现视差偏移更加明显。因此，距离越远，视差偏移就越小。

利用三角函数的知识，我们可以通过测量一个物体的视差来计算它与我们的距离。这就是天文学家通过地球绕太阳的公转来测量邻近恒星的方法。地球绕太阳公转的半径为1.5亿公里。通过观察一颗恒星特定夜晚的位置，再在几个月后同一夜晚，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，恒星距离我们就越近。盖亚航天器目前能够以几微秒的精度测量视差，使得我们能够准确测量30000光年以外的恒星距离。

Q2、造父变星——宇宙距离的中阶梯

超过30000光年的距离，视差变化太小，我们需要采用另一种方法来测量星体距离，那就是造父变星。造父变星是亮度随时间变化的恒星。第一个被观察到的是1784年的仙王座δ星，因此得名造父变星。对于邻近的造父变星，我们可以通过视差来确定它的距离，同时通过观察确定它的表观亮度，然后利用一个物理规律，即物体亮度随距离增加而降低，我们可以确定它们的绝对亮度，即它们实际有多亮。这便是所谓的平方反比定律。

在20世纪初，天文学家亨利埃塔·莱维特分析了1700多颗变星，揭示了造父变星的绝对亮度-周期关系。通过观察特定的麦哲伦星云中的造父变星，他证明了绝对亮度（光度）与周期之间的线性关系，如上图所示。这意味着我们可以将造父变星作为“标准烛光”，通过观察它们的可变周期来确定它们的绝对亮度。接着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。利用哈勃望远镜，我们可以观察到许多邻近星系中的造父变星，从而测量大约1亿光年以内的星系距离。

Q3、1a型超新型——宇宙距离的最远阶梯

在这个距离之外，造父变星的光变得太微弱，我们需要另一种方法，那就是使用被称为IA型超新星的标准烛光。这类超新星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耗尽氢并开始核心塌缩时，就会形成白矮星。这颗恒星会经历一段时间的氦聚变，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，使其膨胀成红巨星。但部分恒星的质量不足以融合更重的元素。在红巨星阶段后，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达到平衡，而是通过电子简并压来抵抗恒星的重力，如果电子被进一步压进质子，就会形成中子星，这需要大质量恒星才能做到。

IA型超新星通常是一颗白矮星与一颗主序星碰撞或合并的结果。白矮星会通过自身强大的引力吸收邻近的主序星物质，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，核心会发生剧烈的爆炸，形成1A型超新星爆发。另一种情况是两颗白矮星碰撞和合并也会发生1A型超新星爆发。

这类超新星的特性在于，它们总是具有几乎相同的光度。我们在已知距离的星系中观察到了IA型超新星。我们可以观察到这类超新星在这些星系中看起来有多亮，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型超新星总是具有相同的光度，这是因为白矮星吸收伴星的物质达到特定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作为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，我们就能将其光度与已知的光度进行比较，从而计算出该星系与我们的距离。这使我们能够测量数十亿光年的宇宙距离。

我们如何知道宇宙的年龄？光速在过去的几十亿年里是否恒定？

现在，作为怀疑论者，你可能会指出，上述内容只揭示了宇宙的距离，而非宇宙的年龄。当然，遥远星系的光可能需要数十亿年才能到达我们这里，但我们如何知道光速不会随时间变化呢？如果光速在之前传播得更快，我们又如何得知宇宙的年龄？

我们能做的是观察遥远的恒星、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由哪些元素组成。但我们也可以通过光谱测试物理常数是否随时间变化。不仅是光速，还有电子的电荷、普朗克常数等。如果这些常数随时间改变，我们观察不同距离星系的光谱线就会发生相对移动。光谱线会在某些区域散开，在其他区域收缩。当我们观察遥远的星系时，我们没有发现它们的光谱有这样的变化。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。因此，就我们所观察和感知到的，光速一直都没有变化。

这意味着，当我们看得越来越远，我们也在回溯到更遥远的时间。通过多普勒效应，我们知道光源的相对运动可以影响我们观察到的光的颜色。如果光源向我们移动，我们看到的光会发生蓝移；如果光源远离我们，光线会红移。源移动的速度越快，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。这意味着星系离我们越远，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。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。