· 正 · 文 · 來 · 啦 ·
同學(xué)們好！今天我們來學(xué)習(xí)宇宙中的行星地球這個(gè)專題。
用慕課來學(xué)習(xí)呀，每段最好控制在15分鐘以內(nèi)，不要超過20分鐘。所以有關(guān)本專題的內(nèi)容，我分成了如下四個(gè)部分。（1）地球在宇宙中的地位如何；（2）地球的鄰居，主要介紹一下月球和與我們最近的兩顆行星，金星和火星；（3）為什么我們的地球是適宜生命或者說人類居住的；（4）在歷史上和現(xiàn)如今，人類為了更了解地球，對宇宙中的生命宜居帶進(jìn)行了何種探索？。首先，我們來了解一下地球在宇宙中的地位。
我們常用“天文數(shù)字”來形容非常大的數(shù)字，或者無法用確切數(shù)字來表達(dá)的數(shù)，大多時(shí)候是帶有夸張成分的，甚至有難于實(shí)現(xiàn)的意味。但是，在我們浩瀚的宇宙以及其發(fā)生發(fā)展歷史中，這個(gè)數(shù)字則是名副其實(shí)的。因?yàn)檫@些數(shù)字實(shí)在太大，以我們的常識難于理解，因此許多時(shí)候我們不得不用類比的形式。
比如，天文學(xué)中測量距離的基本單位——叫做一個(gè)天文單位，是指從地球到太陽的平均距離，約等于一億四千九百六十萬公里（1.496億千米），這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們?nèi)祟愐惠呑铀艿竭_(dá)和想象的距離。如果再到整個(gè)太陽系和銀河系，那就更難于想象了。
現(xiàn)在我們提一個(gè)問題，如果太陽是籃球那么大，那么地球相當(dāng)于什么呢。乒乓球、玻璃球、米粒、還是籃球場的一粒沙？大家可以在下面計(jì)算一下呀。這個(gè)問題計(jì)算完后，大家再計(jì)算一下：如果太陽和籃球一樣大，那么銀河系有地球那么大嗎？太陽是太陽系中離我們最近的恒星。直徑約1.39×108千米,相當(dāng)于地球直徑的109倍。表面積是6.07×1012平方千米,相當(dāng)于地球表面積的11900倍,能容納下月球環(huán)繞地球的公轉(zhuǎn)軌道。體積相當(dāng)于地球體積的130萬倍。a一個(gè)乒乓球大?。?/span>5厘米）；b一個(gè)玻璃球大?。?/span>0．1厘米）；c一粒米粒大?。?/span>0．25厘米）；d一粒微塵大?。?/span>0．01厘米）
http://www.360doc.com/content/13/1025/20/12195296_324196505.shtml
如果太陽和籃球一樣大，那么銀河系有地球那么大嗎？籃球：直徑24.6CM=0.25M；地球：直徑約12700公里=1.27E7米；太陽：直徑139.2萬公里=1.39E9米；銀河系：直徑10萬光年，換算成米是9.46E20。所以太陽和籃球一樣大，相當(dāng)于縮小了5.56E9次方倍，銀河系按比例縮小，就是1.70E11的大小，所以結(jié)論是比地球要大，而且比太陽還要大，是太陽直徑的10倍。
根據(jù)目前的技術(shù)，所知得的宇宙歷史大約138億年，其實(shí)這個(gè)時(shí)間對我們來說也是難于理解的，是吧。如果要有所理解，也必須通過一個(gè)時(shí)間類比才能體會(huì)出來。這個(gè)類比實(shí)驗(yàn)?zāi)?，一般就是將宇宙從誕生到今天壓縮為一年，那么一個(gè)月呢就相當(dāng)于10多億年。因?yàn)橛嘘P(guān)這方面的內(nèi)容呢，我在網(wǎng)上找到了一個(gè)非常棒的視頻，大家可以在本節(jié)課結(jié)束后看一下我附錄在后面的視頻：《如果宇宙只有一年》。
要了解我們的宇宙，的確非常困難，正如我們戰(zhàn)國末期的政治家屈原在《天問》中的前四句所詢問的。這四個(gè)問句是什么意思呢？應(yīng)該很容易看懂啊。大意是：天地剛開始的時(shí)候，是誰將道傳遞到這個(gè)宇宙。那個(gè)時(shí)候天地宇宙都沒有形成，更沒有人，那我們作為人類，怎么樣知道傳道者是誰呢?已知的宇宙對我們來說是無窮無盡的，那誕生宇宙的環(huán)境更應(yīng)該是無窮無盡了，誰能找到合適的角度去探究呢？當(dāng)我們思考這些問題的時(shí)候，有時(shí)候覺得想明白了又忽然覺得很糊涂，究竟如何才能去認(rèn)識這樣的問題呢？這是一個(gè)簡單的形而上的問題，但是試圖用行而下的方式來進(jìn)行解釋，是吧。很明顯，那個(gè)時(shí)候的人們相信，宇宙是無始無終的。
現(xiàn)在我們知道了，天文數(shù)字是很大的數(shù)字。但有時(shí)候描述宇宙現(xiàn)象的時(shí)候，有非常小的數(shù)字，同樣讓我們難于理解的。比如這里所論述的宇宙起源，說宇宙在誕生之后的10-44秒（10的負(fù)44次）急速展開，從10-34厘米的超微宇宙在僅僅10-34秒之內(nèi)迅速膨脹了10100倍，這稱為暴脹(inflation）。這樣的說法挺起來是否云里霧里，毫無感覺？因?yàn)檫@樣的數(shù)值實(shí)在是離我們太遠(yuǎn)了，我們?nèi)粘Ｉ钪懈居貌坏?。這個(gè)說法，實(shí)際上是提出了一個(gè)“從無到有”的宇宙起源模式，對于傳統(tǒng)的“無始無終”宇宙觀，那是一個(gè)巨大的沖擊！
再來看看我們的地球。根據(jù)人們的不斷探索，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，僅僅銀河系就有1500－2000億顆恒星，而類似銀河系的星系則大于500億。如此說來，地球太微不足道了，太平凡了。然而，起始于上個(gè)世紀(jì)60年代的地外文明探測，到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)可靠的依據(jù)證明是否存在地外文明，我們能得出的結(jié)論只能是，地球是目前已知唯一有人類的星體。也就是說，地球是人類在宇宙中的唯一家園。
俗話說，工欲善其事，必先利其器。要觀測宇宙，也必須要有好的工具。天文學(xué)的發(fā)展也基本上證明了，許多重大的天文發(fā)現(xiàn)都是在工具，特別是各種望遠(yuǎn)鏡得到改進(jìn)之后——誰的望眼鏡做得好，誰就能發(fā)現(xiàn)更多的東西。中國近幾十年的發(fā)展，讓我們的也慢慢走向天文大國和天文強(qiáng)國。許多方面甚至領(lǐng)先于世界。這張圖片展示的就是目前世界上口徑最大的球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST，它安裝在貴州省黔南州的大窩凼（氹，dàng）。選擇在這個(gè)地方，首先這個(gè)地方的形狀本身就類似一個(gè)半球面了，所以可以大大減少土石方的開挖量，另外，這還是一個(gè)排水良好的圓形喀斯特洼地，而且歷史上無重大自然災(zāi)害的記錄。開展從宇宙起源到星際物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探討、對暗弱的脈沖星及其他暗弱的發(fā)射源進(jìn)行搜索、高效率地開展對地外理性生命的搜索等等。
說到望眼鏡，我們不得不提哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和開普勒太空望遠(yuǎn)鏡。大多數(shù)天文臺是建在地面的，我們知道地球的大氣層對天文觀測來說是有干擾的，如果能將天文臺建在大氣層之外，該有多好呀。其實(shí)，這樣的問題呢，上個(gè)世紀(jì)40年代就有天文學(xué)家考慮了，并在理論上計(jì)算，口徑2.5米的望遠(yuǎn)鏡能達(dá)到0.1弧秒的衍射極限值，這里的0.1弧秒是指角分辨率，也就是物體能被清楚分辨的最小分離角度，數(shù)值越小，分辨率越高。而以地面為基地的望遠(yuǎn)鏡解析能力呢只有0.5-1.0弧秒，所以提高了5~10倍。其次，在太空中的望遠(yuǎn)鏡還可以觀測到被大氣層吸收殆盡的紅外線和紫外線。40多年之后，也就是1990年4月24日，哈勃望遠(yuǎn)鏡在美國肯尼迪航天中心由“發(fā)現(xiàn)者”號航天飛機(jī)成功發(fā)射。它的發(fā)射，成功彌補(bǔ)了地面觀測的不足，幫助天文學(xué)家解決了許多天文學(xué)上的基本問題，使得人類對天文物理有更多的認(rèn)識。2016年3月4日，人類宇宙觀測距離記錄再次被哈勃望遠(yuǎn)鏡刷新，成功捕捉到了距離地球達(dá)134億光年的一個(gè)星系所發(fā)出的微光。
與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡不同，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡在測光精度和視場上進(jìn)行了提升，因?yàn)槠渲饕蝿?wù)是發(fā)現(xiàn)環(huán)繞著其他恒星的類地行星。它要對銀河系內(nèi)10萬多顆恒星進(jìn)行探測，希望搜尋到能夠支持生命體存在的類地行星。不過開普勒望遠(yuǎn)鏡分辨率不如哈勃，也沒有光譜觀測。當(dāng)然，不管是開普勒還是哈勃，一些體積較大的儀器設(shè)備還是沒辦法裝上去的，許多現(xiàn)在的天文觀測呢還暫時(shí)離不開地面的天文臺。
行星不發(fā)光，在近乎黑暗的宇宙，要用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡直接觀測到其他星系的行星，那幾乎是不可能的事兒。不過呢，天文學(xué)家找到了一種好的方法，那就是行星凌日。凌日是一種難得的天象，也是天文學(xué)家認(rèn)識宇宙的重要工具。在太陽系，天文學(xué)家曾借助于水星凌日，第一次較為精確地測量了日地之間的距離。如今，天文學(xué)家正是用類似的方法去尋找其他恒星周圍的大行星。開普勒太空望遠(yuǎn)鏡，就是通過觀測10萬顆恒星的光度變化，判定是否行星凌日來檢測是否有行星的存在。因?yàn)槠渌窍惦x我們實(shí)在太遠(yuǎn)了，行星不可能像太陽系的水星和金星那樣呈現(xiàn)出一個(gè)小球性狀。但行星經(jīng)過恒星，一定會(huì)阻擋一些光線，所以我們只能根據(jù)恒星的光度變化來判定是否行星凌日。
2016年8月25日，自然雜志報(bào)道，科學(xué)家在半人馬座α星找到了類地行星。如果你看過劉慈欣的科幻小說《三體》，就知道這里α星的三顆恒星其實(shí)就是本部小說的原型。我看到這篇新聞的第一反應(yīng)就是，劉慈欣在小說中的超級想象是否會(huì)成為現(xiàn)實(shí)呢？但是，這一切都還是假說。
無獨(dú)有偶，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡自2009年發(fā)射升空以來，一直致力于在太陽系外尋找類地行星，目前它已發(fā)現(xiàn)4000余顆候選行星，其中有1000多顆已確認(rèn)。有人戲稱這樣的行星為地球兄弟。
