我們?nèi)绾沃烙钪娴?span>大小、年齡、起源和性質(zhì)，那么天文學(xué)是怎樣支持進(jìn)化論的，我們今天就討論下這個(gè)問題。
在美國的皮尤研究中心（Pew Research Center），其中有一項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，三分之一的人認(rèn)為，人類和其他生物自遠(yuǎn)古時(shí)代以來就以現(xiàn)在的形式存在。有三分之一的成年人反對進(jìn)化論，可進(jìn)化論是生物學(xué)的基礎(chǔ)理論，所以他們還間接地拒絕接受目前地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)的一些基礎(chǔ)。關(guān)于這項(xiàng)調(diào)查的大部分評論大都集中在宗教和哲學(xué)上，所以我們今天就來談下天文學(xué)的宇宙演化論是怎樣支持進(jìn)化論的？我們是怎樣知道星系離我們有多遠(yuǎn)？我們是怎樣知道宇宙有數(shù)百億年的歷史呢?這一切都要從天上的星星說起.......
我們確定宇宙年齡的一種方法是通過宇宙天體之間的距離確定的。由于光以有限的速度傳播，來自遙遠(yuǎn)星體的光到達(dá)我們這里就需要時(shí)間。我們能看到的距離越遠(yuǎn)，那么宇宙就一定越古老。那么一萬年光會走多遠(yuǎn)呢?不是很遠(yuǎn)，就是上圖中的黃圈。對于黃圈以外的任何物體來說，光到達(dá)我們的位置都需要超過1萬年的時(shí)間。如果宇宙只有10000年的歷史，我們將看不到黃圈之外的任何東西。那么在黑暗的夜空中銀河系微弱的光芒大部分都會丟失。大麥哲倫云？完全不見。仙女座星系？也看不見。一個(gè)年輕宇宙的夜空將會更加黑暗。
那么我們?nèi)绾螠y定的宇宙星體之間距離呢?實(shí)際上有幾種方法可以幫助我們確定宇宙天體距離，這些方法結(jié)合在一起就形成了所謂的宇宙距離階梯。
Q1、視差偏移效應(yīng)——距離第一梯隊(duì)
最直接的方法是利用視差的特性。當(dāng)你從兩個(gè)稍微不同的位置看一個(gè)物體時(shí)，就會產(chǎn)生視差。當(dāng)你看著一個(gè)物體時(shí)，你的每只眼睛都有略微不同的視角。你的大腦利用這些信息來確定你看到的物體哪些離你近一些，哪些離你遠(yuǎn)一些。這也是為什么我們?nèi)タ?D電影時(shí)，必須戴上特殊的眼鏡。這副眼鏡能確保我們每只眼睛都有一個(gè)略微不同的視角，這就給了我們一個(gè)深度錯(cuò)覺。如果我們在看電影的時(shí)候摘下眼鏡，畫面就會變得模糊。這是因?yàn)闆]有視差效應(yīng)，電影中的畫面重疊在了一起。
我們可以通過一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)來看到視差的影響。把你的大拇指舉出一個(gè)手臂的距離，現(xiàn)在用一只眼睛看它。在大拇指不動的情況下，我們換個(gè)眼睛，這時(shí)你會看到你的拇指相對于較遠(yuǎn)處的物體發(fā)生了移動，這種偏移稱為視差偏移。如果你把拇指靠近你的眼睛再做一次實(shí)驗(yàn)，你會發(fā)現(xiàn)視差偏移更大。所以距離越遠(yuǎn)，視差偏移就更小。
用三角函數(shù)的知識，我們就可以通過測量一個(gè)物體的視差來計(jì)算這個(gè)物體和我們之間的距離。這就是天文學(xué)家如何利用地球的運(yùn)動來測量附近恒星距離的辦法。地球繞太陽公轉(zhuǎn)的半徑是1.5億公里。通過觀察一顆恒星在特定夜晚的位置，然后在幾個(gè)月后的一個(gè)夜晚，天文學(xué)家可以從兩個(gè)角度測量恒星的視差位移。視差偏移越大，恒星就離我們越近。目前人類發(fā)射的蓋亞航天器能夠以幾微秒的精度測量視差，這使我們能夠以很好的精度測量30000光年以外的恒星距離。
Q2、造父變星——宇宙距離第二梯隊(duì)
超過30000光年的距離視差變化就太小了，無法使用，所以我們可以用另一種方法來觀察星體的距離，一種叫做造父變星的恒星。造父變星是在一段時(shí)間內(nèi)亮度變化的恒星。第一個(gè)觀測到這樣的恒星是1784年的仙王座δ星(仙王座中第四亮的恒星)，中文名造父一，因此得名造父變星。對于附近的造父變星，我們可以通過視差確定它的距離，我們還可以通過觀察確定它的表觀亮度(它看起來有多亮)，然后利用一個(gè)物理規(guī)律，即一個(gè)物體的亮度隨著距離的增加而降低，我們就能確定它們的絕對亮度(它們實(shí)際上有多亮)，這就是所謂的平方反比定律。
在20世紀(jì)初，天文學(xué)家亨利埃塔·萊維特就分析了1700多顆變星，發(fā)現(xiàn)了造父變星的絕對亮度-周期關(guān)系。通過觀察特定麥哲倫星云中的造父變星，他能夠證明絕對亮度(光度)與周期之間的線性關(guān)系，如上圖所示。這意味著造父變星可以用作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”通過觀察它們的可變周期，我們就可以確定它們的絕對亮度。然后將絕對亮度與表觀亮度相比較，我們就可以確定它們的距離。從哈勃望遠(yuǎn)鏡中，我們可以觀察到許多鄰近星系中造父變星的變化，因此我們可以測量到大約1億光年以內(nèi)的星系距離。
Q3、1a型超新型——宇宙距離第三梯隊(duì)
在這個(gè)距離之外，造父變星的光就變的太微弱了，無法準(zhǔn)確的使用，所以我們就需要另外一種方法。這種方法通常是用另一類被稱為IA型超新星的標(biāo)準(zhǔn)燭光來完成的。這類超新星的爆發(fā)通常發(fā)生在一顆白矮星和一顆主序星的雙星系統(tǒng)中。
當(dāng)一顆太陽大小的恒星開始耗盡氫而在其核心發(fā)生塌縮時(shí)，就會形成白矮星。這顆恒星將進(jìn)行一段時(shí)間的氦聚變，根據(jù)恒星的質(zhì)量，恒星會在其核心融合一些更重的元素，由此產(chǎn)生的熱量和光會驅(qū)散恒星的大部分外層物質(zhì)，使其膨脹成一顆紅巨星。但有一點(diǎn)這類恒星的質(zhì)量根本無法持續(xù)融合更重的元素。在這之后，恒星的殘骸會被重力壓縮形成白矮星。在白矮星中，不是聚變的熱量和壓力與重力平衡，而是通過電子簡并壓來抵抗恒星的重力，如果電子再被壓進(jìn)質(zhì)子，就會形成中子星，這需要大質(zhì)量恒星才能做到。
IA型超新星通常是由一顆白矮星和主序星碰撞或合并造成的。白矮星會通過自身強(qiáng)大的引力吸收附近主序星的物質(zhì)，當(dāng)白矮星質(zhì)量達(dá)到1.4倍太陽時(shí)，會再次點(diǎn)燃核心聚變，由于反應(yīng)迅速會導(dǎo)致核心發(fā)生劇烈的爆炸，形成1A型超新星爆發(fā)。另一種是兩顆白矮星碰撞和并也會發(fā)生1A型超新星爆發(fā)。
這類超新星有個(gè)特點(diǎn)，它們總是有著大約相同的光度。我們在距離造父變星已知的星系中已經(jīng)觀察到了IA型超新星。我們可以觀察已知星系中這類超新星看起來有多亮，然后根據(jù)距離，我們就可以確定它實(shí)際上的光度。我們觀察了不同的星系發(fā)現(xiàn)IA型超新星總是有著相同的光度，這是因?yàn)榘装俏瞻樾堑奈镔|(zhì)，到特定的質(zhì)量后就會發(fā)生爆炸，所以它們總是能發(fā)出一樣的光度。
這一特性意味著我們也可以將它們用作標(biāo)準(zhǔn)燭光來測定遙遠(yuǎn)星系的距離。如果我們在遙遠(yuǎn)的星系中觀測到IA型超新星，我們就能觀察它的光度跟我們已知的光度進(jìn)行比較，所以我們就可以計(jì)算這個(gè)星系離我們有多遠(yuǎn)。這使得我們能夠測量數(shù)十億光年的宇宙距離。
現(xiàn)在，作為一個(gè)懷疑論者，你可能會指出，上文所說的一切都只表明了宇宙的距離，而不是宇宙的年齡有多么的古老。當(dāng)然，遙遠(yuǎn)星系的光現(xiàn)在可能需要數(shù)十億年的時(shí)間才能到達(dá)我們這里，但是我們怎樣知道光速不會隨時(shí)間而改變呢？那如果光的速度在以前傳播的更快呢？我們怎樣確定宇宙的年齡？
我們能夠做的就是觀察遙遠(yuǎn)的恒星、星云和星系中原子和分子的輻射光譜。這些光譜就像指紋一樣使我們能夠識別星系和恒星中都由哪些元素組成。但是我們通過光譜也可以測試物理常數(shù)是否隨著時(shí)間而改變。不僅僅是光速，還有電子的電荷，普朗克常數(shù)等等。如果這些常數(shù)隨著時(shí)間的推移而改變，我們觀察不同距離星系光譜中的線就會發(fā)生相對移動。光譜線條會在某些區(qū)域分散開來，而在另一些區(qū)域則會收縮在一起。當(dāng)我們觀察遙遠(yuǎn)的星系時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它們中的光譜沒有任何一個(gè)發(fā)生這樣的變化。考慮到我們設(shè)備的局限性，這意味著在過去的幾十億年里，光速的變化不可能超過十億分之一。所以就我們所能觀察和感知到的，光速一直都沒有變化。
這意味著當(dāng)我們看的越來越遠(yuǎn)時(shí)，我們也再回往更遙遠(yuǎn)的時(shí)間。通過多普勒效應(yīng)，我們知道光源的相對運(yùn)動可以影響所觀察到的光的顏色。如果光源向我們移動，我們看到的光就會發(fā)生藍(lán)移。如果光源遠(yuǎn)離我們，光線就會紅移。源移動得越快，位移越大。
我們測量了許多恒星、星系和星團(tuán)的顏色變化，當(dāng)我們繪制星系距離與其紅移的關(guān)系圖時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)這樣的關(guān)系，如上所示，星系距離越遠(yuǎn)，紅移越大。這意味著星系離我越遠(yuǎn)，它遠(yuǎn)離我們的速度就越快。距離和速度在各個(gè)方向上的關(guān)系是相同的，這意味著宇宙似乎在各個(gè)方向上都在膨脹。那么如果宇宙在膨脹，它過去的任何一個(gè)時(shí)刻一定比現(xiàn)在更小。換句話說，宇宙有一個(gè)有限的年齡，它剛開始的時(shí)候一定非常小，非常密集，溫度也非常高。我們把這個(gè)起點(diǎn)稱為大爆炸。如果計(jì)算一下，我們會得到宇宙的年齡為138億年。
通過宇宙膨脹去反推宇宙的起源和年齡，只是通往宇宙起點(diǎn)的一條道路。我們還有很多其他的觀測證據(jù)，比如宇宙微波背景、恒星演化、重子聲波振蕩、氫氦比，更不用說行星科學(xué)、地質(zhì)學(xué)和生物學(xué)了。這些證據(jù)匯集在一起，指向了一個(gè)并非數(shù)十億年，而是138億年的宇宙。
所以天文學(xué)揭示的宇宙演化圖景，也再支撐著地球演化論和生物進(jìn)化論。既然宇宙有起點(diǎn)，有開始的時(shí)刻，那么我們地球和人類也應(yīng)當(dāng)遵循宇宙的基本法則。
