· 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)字來表達的數(shù)，大多時候是帶有夸張成分的，甚至有難于實現(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，這個數(shù)字則是名副其實的。因為這些數(shù)字實在太大，以我們的常識難于理解，因此許多時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)遠遠超出我們?nèi)祟愐惠呑铀艿竭_和想象的距離。如果再到整個太陽系和銀河系，那就更難于想象了。
現(xiàn)在我們提一個問題，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？大家可以在下面計算一下呀。這個問題計算完后，大家再計算一下：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一個乒乓球大?。?/span>5厘米）；b一個玻璃球大?。?/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，其實這個時間對我們來說也是難于理解的，是吧。如果要有所理解，也必須通過一個時間類比才能體會出來。這個類比實驗?zāi)兀话憔褪菍⒂钪鎻恼Q生到今天壓縮為一年，那么一個月呢就相當(dāng)于10多億年。因為有關(guān)這方面的內(nèi)容呢，我在網(wǎng)上找到了一個非常棒的視頻，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：天地剛開始的時候，是誰將道傳遞到這個宇宙。那個時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候，有時候覺得想明白了又忽然覺得很糊涂，究竟如何才能去認識這樣的問題呢？這是一個簡單的形而上的問題，但是試圖用行而下的方式來進行解釋，是吧。很明顯，那個時候的人們相信，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。但有時候描述宇宙現(xiàn)象的時候，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？因為這樣的數(shù)值實在是離我們太遠了，我們?nèi)粘Ｉ钪懈居貌坏?。這個說法，實際上是提出了一個“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，起始于上個世紀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，特別是各種望遠鏡得到改進之后——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鏡FAST，它安裝在貴州省黔南州的大窩凼（氹，dàng）。選擇在這個地方，首先這個地方的形狀本身就類似一個半球面了，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鏡和開普勒太空望遠鏡。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，這樣的問題呢，上個世紀40年代就有天文學(xué)家考慮了，并在理論上計算，口徑2.5米的望遠鏡能達到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，哈勃望遠鏡在美國肯尼迪航天中心由“發(fā)現(xiàn)者”號航天飛機成功發(fā)射。它的發(fā)射，成功彌補了地面觀測的不足，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識。2016年3月4日，人類宇宙觀測距離記錄再次被哈勃望遠鏡刷新，成功捕捉到了距離地球達134億光年的一個星系所發(fā)出的微光。
與哈勃空間望遠鏡不同，開普勒太空望遠鏡在測光精度和視場上進行了提升，因為其主要任務(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。因為其他星系離我們實在太遠了，行星不可能像太陽系的水星和金星那樣呈現(xiàn)出一個小球性狀。但行星經(jīng)過恒星，一定會阻擋一些光線，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成為現(xiàn)實呢？但是，這一切都還是假說。
無獨有偶，開普勒太空望遠鏡自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。有人戲稱這樣的行星為地球兄弟。
