普通天文學/宇宙的現代觀

普通天文學
	宇宙的現代觀	觀測天文學

大圖景

宇宙是一個巨大的地方——對我們來說太大，無法理解。但是有多大呢？天文學家幾個世紀以來一直在苦苦思索這個問題，他們對已知宇宙的認識一直在穩步擴大到巨大而難以理解的規模。這是一個重要的問題，也是我們對宇宙本身理解的一個基本部分。要學習天文學，必須瞭解那裡有什麼，所有事物之間的關係，以及我們在宇宙中的位置。問題是尺寸尺度，即各種型別物體的相對總體尺寸，對於比地球大得多的東西來說太陌生了。在一個巨大的宇宙中，這可能是一個挑戰。為了解決這個問題，讓我們嘗試將我們周圍熟悉的生命尺寸世界與陌生的宇宙尺寸尺度聯絡起來。

如果你是一名學生，你可能每天都看到你的老師在黑板上寫字。黑板是您比整個宇宙更熟悉的東西，因為您可以看到和觸控它。您知道黑板、粉筆、標記、橡皮擦等等的尺寸，因為它們就在手邊。黑板比用粉筆在黑板上畫的一個點大多少？事實證明，對於一塊中等大小的黑板和一個相當大的粉筆點，答案大約是一千。

現在讓我們考慮一下比黑板大一千倍的東西。一塊黑板跨度幾米，所以我們想一想跨度幾公里的一樣東西。那就像一個小型城市的大小。如果一個城市比一塊黑板大 1000 倍，而一塊黑板比黑板上的標記大 1000 倍，那是一個有用的聯絡，可以幫助我們思考一個城市的大小：我們可以說，城市裡的黑板就像黑板上的標記。

這樣，我們現在將從城市走出，進入更大的宇宙。在每一步中，我們將考慮一個（非常粗略地）比上一步大一千倍的東西。當我們走出時，我們旅程中的每一步都將比下一步小得多，就像黑板上的標記。

一個城市比我們用作參考點的黑板大得多，但它仍然是我們非常熟悉的東西。許多人每天都會開車穿過他們家鄉的一部分並返回。即使有紅綠燈，也可能在半個小時內開車穿過大多數小城市，從一端走到另一端只需幾個小時。如前所述，下一步將更大，而且離我們的日常生活更遠。我們的下一站將有幾千公里的規模，那就是地球的大小。

在汽車裡，即使以慢速行駛，你也可以在一個小時內開車穿過一座城市。如果你能以每小時 60 英里（每小時 100 公里）的速度繞地球行駛，白天黑夜地在陸地和水面上行駛，這將需要整整 17 天。請記住，以每小時 60 英里的速度穿過一座小城市只需要幾分鐘。十七天遠比幾分鐘長得多。最快的噴氣式飛機，其最高速度約為每小時 2,000 英里（3,200 公里），可以更快地繞地球飛行。以這種速度，你可以用 11 個小時繞地球飛行。即使像這樣的速度也會很快變得不夠用，因為我們將繼續向宇宙深處移動。

地球的大小是岩石行星，即類地行星的大小，但主要由氣體構成的行星，如木星和土星，要大幾倍到十倍。一般來說，我們可以預期相同型別的事物具有相似的特性。如果我們沒有關於行星的其他資訊，我們可以猜想它的半徑與地球的半徑相同。如果我們知道我們的假想行星是一個更大的氣體巨行星，我們可能會改變我們的估計，並猜想該行星的半徑與土星的半徑相同。

這個尺寸尺度代表了人類經驗的絕大多數。只有少數人曾經進入地球軌道，而這些人仍然非常靠近地球。發射的大多數衛星都非常靠近地球。例如，太空梭的軌道高度只有幾百公里——地球半徑的百分之幾。一些航天器被送往其他行星或月球，但大多數都停留在我們旅程中這一步的規模。只有 24 個人——阿波羅宇航員——曾經離開地球軌道，前往我們旅程的下一站。

這幅圖顯示了地球和月球按其相對大小和距離進行縮放。兩者都很小，相距很遠，地球-月球系統被巨大的空曠空間包圍。這種觀點只是我們旅程中第五步的一小部分，而地球已經變得非常小了。

當我們繼續前進時，我們到達了一個大約是地球周長 1000 倍的尺寸。到月球的距離大約是地球直徑的 30 倍，因此月球很容易在這步中觸手可及，但剩餘的距離中幾乎沒有其他東西。最近的行星，火星和金星，超出了我們的範圍。除了地球和月球之外，我們發現地球附近的空間幾乎完全是空的，只有偶爾經過的小行星或彗星。

雖然考慮到地球-月球系統周圍的巨大空間，月球看起來很近，但我們應該記住，地球和月球實際上相距很遠。如果我們能坐上汽車開車去月球，這趟旅行將需要五個月不停地行駛——每天 24 小時，每週 7 天。如果我們的飛機能飛往月球，它將需要五天才能到達那裡。這些旅行現在正在變得更長，但它們仍然是可以管理的。步行旅行要長得多——步行到月球需要九年！光的速度比宇宙中任何其他東西都快。它的速度為每秒 300,000 公里（186,000 英里）。以這種速度，光只需一秒多一點就能到達月球。這個距離，光在一秒鐘內傳播的距離，被稱為光秒。

這張太陽和六顆行星的馬賽克影像由旅行者號航天器從行星之外拍攝。地球在其中一幀中幾乎不可見，只是一顆藍點，幾乎消失在陽光的眩光中。旅行者號航天器，從行星之外觀察行星的軌道，是距離地球最遠的人造物體。請注意，兩顆類地行星，金星和地球，比其他行星更靠近太陽。

再往前一步，我們將延伸到大多數行星。我們現在包含了太陽系的大部分，太陽系包含太陽及其周圍所有繞其執行的物體。這個尺寸尺度約為 50 億公里，是地球到太陽距離的 30 倍。從地球到太陽的距離是太陽系中測量的一個方便標準，因此天文學家使用地球到太陽的平均距離作為標準單位，稱為天文單位（AU）。一個天文單位約等於 9300 萬英里或 1.5 億公里。我們可以說，我們現在工作在 30 個天文單位的尺寸尺度上，或者簡稱為 30 AU。以地球為中心的這個大小的盒子可以舒適地容納土星的軌道，但天王星、海王星和冥王星仍然太遠了。在人類歷史的大部分時間裡，在這個盒子之外的太陽系物體都沒有被發現存在。

請記住，我們的尺寸尺度與上一步相比增加了巨大的倍數，即 1000 倍。使用我們的噴氣式飛機從地球飛往土星將需要大約 50 年。光從土星到達地球大約需要 80 分鐘，具體取決於地球和土星在其軌道上的位置。由於光從土星到達地球需要這麼長時間，我們在特定時刻看到的那顆行星的光實際上是在 80 分鐘前發出的。這意味著我們看到的不是目前的土星，而是 80 分鐘前的土星。這也意味著，向太空眺望就像回溯時間。我們看得越遠，光就越古老。這對於土星來說並不重要，但隨著尺寸尺度不斷擴大，它將變得越來越重要。

像以前一樣，我們可以使用光速來衡量距離。光秒是光在一秒鐘內傳播的距離。同樣，光分鐘是光在一分鐘內傳播的距離。這意味著土星距離地球 80 光分鐘。同樣，我們可以寫道，土星距離地球 1.3 光時，這與土星到太陽的距離大致相同。土星的軌道比地球的軌道大得多，地球的軌道半徑只有 8 光分鐘。這是關於太陽系的一個驚人而重要的事實——岩石行星，即類地行星，靠近太陽和彼此執行，但巨型氣體行星，即類木行星，在更遠的距離上執行，軌道之間距離更大。

我們旅程中的下一步將涵蓋 30,000 AU 的距離，或半光年。雖然這一步完全包含了行星，但太陽系天體可以在更遠的距離上找到。這些天體形成了奧爾特雲——一個廣闊而稀疏的彗星區域，圍繞著太陽。奧爾特雲幾乎是空的，但它仍然存在。在這一步中，我們只覆蓋了太陽影響範圍的一部分，而大量的奧爾特雲仍然超出了我們的範圍。據認為，奧爾特雲從太陽延伸出去，最遠可達兩光年。

如果我們看一下這一步的更遠處，我們會在大約四光年的地方找到最近的恆星，比鄰星。旅行者 1 號和2 號將需要 80,000 年才能到達這顆恆星。（這些飛船於 1977 年發射，速度為 51,500 公里/小時。）隨著其他恆星進入視野，太陽將不再是主要的引力源。這意味著，我們可以預期太陽系真的會在我們開始接近其他恆星時結束。

我們下一步將我們置於一個 500 光年的盒子裡。這個尺寸尺度很容易容納太陽、半人馬座阿爾法星和許多其他恆星。事實上，大約有 250,000 顆恆星距離地球 500 光年以內。天文學家將這個區域稱為太陽系附近。正如我們所看到的，銀河系中的恆星相距很遠，廣闊的幾乎是空的太空將它們分開。

太陽系附近（以及整個太空）的恆星大多又小又暗。如果這些暗星更遠，它們將太暗，無法從地球上看到。更明亮的恆星比較稀少，但它們可以從更遠的地方看到。正因為如此，兩種“型別”的恆星填滿了從地球上看到的夜空：本身就很暗但很近的恆星，以及明亮且更遠的恆星。

這幅畫說明了如果能從外部觀察銀河系，它可能是什麼樣子。它有一個明亮的中心棒，從中心延伸出四條旋臂。在這幅圖中，單個恆星太小，太暗，無法看到。

隨著我們的旅程繼續向外延伸，我們看到隨機散佈的恆星形成了一個模式。螺旋結構出現，我們看到地球、太陽系和附近的恆星被收集到一個有序的恆星系統中，被稱為星系。我們的星系被稱為銀河系。

像太陽系一樣，銀河系也呈扁平的圓盤狀，但銀河系要大得多。我們的星系包含數千億顆恆星，而太陽系只是其中的一員。太陽位於銀河系的旋臂中，距離銀河系中心約三分之二，它與其他所有恆星一起繞著銀河系中心執行。如果銀河系長五十英里，太陽系只是一個像圓珠筆尖大小的點。實際上，銀河系的直徑為 100,000 光年，但厚度只有幾千光年。

當我們開始邁向下一步時，我們看到其他像銀河系一樣的星系開始出現。與銀河系中的恆星相比，星系之間的距離要近得多，星系之間的碰撞也更加常見。仙女座星系是距離銀河系最近的星系，距離地球 250 萬光年，正朝著地球方向前進。不過不要驚慌，因為碰撞要再過 30 億年才會發生。

在比我們上一步規模大不了多少的尺度上，我們看到星系聚集在一起。這些星系團通常包含數百個星系，跨度達數百萬光年。星系繞著星系團中心執行。銀河系是室女座星系團的成員。它位於星系團邊緣附近，因此我們可以從小熊星座方向的一小塊天空區域看到它的中心的大部分割槽域。目前，銀河系正在遠離室女座星系團中心移動。然而，在遙遠的未來，星系團的引力將減慢銀河系的運動，並將其拉向中心。

儘管我們現在的範圍包含了更多天體，但星系團的尺度並沒有比上一個尺度擴大 1000 倍。直到我們來到數億光年的尺度，我們才完全到達旅程的下一步。在這個尺度上，甚至星系團也形成了星系團。這些星系團被稱為超星系團。一個超星系團可能包含數十萬個星系。室女座星系團是室女座超星系團的成員。

來自我們 5 億光年範圍邊緣的光線在到達我們之前已經傳播了 5 億年。這意味著我們看到的是 5 億年前的室女座超星系團。五億年可能很長，但對於宇宙來說，它並沒有發生顯著的變化。儘管光線很古老，但室女座超星系團邊緣的宇宙仍然看起來很像附近的宇宙。

這張藝術家描繪圖顯示了哈勃體積的示意圖，就好像你可以從“上面”向下看它一樣。實際上，這種視角是不可能的，因為無論觀察者位於宇宙中的哪個位置，他都將看到哈勃球體，就好像是從中心看的一樣。這是因為哈勃球體的邊緣是由宇宙非常年輕時從遙遠距離發射的光線形成的。室女座超星系團是影像中心的小點，用藍色圈起來。

當我們繼續從 5 億光年的尺度向外延伸時，我們看到宇宙越來越古老的部分。隨著距離變得非常大，我們開始看到數十億年前的景象，以及宇宙整體的重大變化。隨著我們越往回看，我們看到第一個星系團、星系和恆星的形成。最終，我們看到宇宙如此年輕，以至於還沒有形成恆星。在第一批恆星形成之前，宇宙非常冷，密度也非常大，以至於空間中鬆散的、未使用的氣體可以阻擋可見光。除此之外，我們無法再看到任何東西。這堵牆裡面的內容被稱為哈勃體積，或者叫可觀測宇宙。沒有辦法觀察這個體積之外的天體，因為來自這些遙遠天體的光還沒有到達我們。

宇宙無限延伸，但我們的視野僅限於哈勃體積。試圖到達哈勃體積的邊緣是不可能的。你永遠無法到達它，因為它只是一個幻覺。如果你試圖到達我們所看到哈勃體積邊緣的位置，你會看到你周圍的宇宙，就像它今天的樣子，而不是數十億年前，而且你會看到你周圍的哈勃體積的邊緣，距離你數十億光年。

繼續向外延伸不可避免地會深入理論的篇章，並跨越了我們所看到的和我們無法看到的界限。有些人推測宇宙本身並不包含所有存在，並且可能存在著其他具有不同物理定律的宇宙，它們以星系團和群的形式存在於多元宇宙中。

當我們越往外走，許多人注意到一定有一個邊緣，一個終點，一個現實的邊界。另一些人推測宇宙，或者它所在的超宇宙，是無限的，沒有這樣的邊界。然而，在目前這個時間點，我們無法給出最終的答案，無法對這些問題給出明確的答案。

關於宇宙是什麼樣的，還有很多未知之處，但自從人類開始思考周圍的世界以來，我們對宇宙的認識已經發生了巨大的變化。憑藉好奇心和科學工具，天文學家幾個世紀以來一直在研究天體，他們的工作今天仍在繼續。

宇宙簡史

從古至今，人類一直對創造充滿興趣。我們和我們所處的宇宙來自哪裡？在《梨俱吠陀》中，人們認為在創造之前，存在著“既不存在也不存在”。拉丁語短語ex nihilo nihil fit（“無中生有”）概括了目前人類對起源的看法。

《古蘭經》中關於宇宙起源的經文如下：“難道不通道的人不曾看見，天宇和大地原來是相連的，然後我們才把它們分開嗎？” [《古蘭經》21:30]

幾千年來，科學家們已經考慮了許多可能性。宇宙是突然“發生”的嗎？……它是由上帝快速創造的嗎？……它一直存在嗎？……或者它現在正處於持續的創造狀態？

正如我們可以使用尺度來粗略地比較宇宙中物體的尺寸一樣，我們也可以使用時間尺度來比較事件發生的時間段。例如，哈雷彗星繞太陽執行一週大約需要 75 年，因此我們可以說哈雷彗星軌道的週期與人類壽命的時間尺度大致相同。

宇宙起源——大爆炸理論

宇宙在空間上很大，但在時間上也很大。宇宙的年齡似乎是 137 億年。像巨大的空間尺度一樣，對於一個壽命遠遠小於 140 億年的人來說，140 億年的時間跨度是難以想象的。為了更好地理解非常長的時間尺度，我們可以將像宇宙年齡這樣長的時間段“壓縮”成更短的時間段，比如人類的一生。

一個典型的人大約會活 80 年。這意味著地球在一個人平均的一生中將繞太陽執行 80 周。人類壽命的時間尺度和人類歷史的時間尺度遠小於宇宙變化的時間尺度。天文學家透過研究宇宙存在的一瞬間，瞭解了整個宇宙是如何形成的。為了更清楚地瞭解宇宙時間尺度是如何相互吻合的，讓我們考慮一位假想的宇航員，他的生命被“拉伸”以填補整個宇宙歷史。

如果人類的壽命比現在長得多，那麼地球繞太陽執行的軌道可能太快，無法作為衡量年齡的有效方法。相反，從更慢的東西來衡量時間可能更實際。太陽繞銀河系執行一週需要 2.3 億年。這意味著一個“銀河年”將比普通年份長 2.3 億倍。

假設我們的老宇航員的壽命是 80 個“銀河年”，而不是 80 個正常年份。這樣，宇航員將有足夠長的壽命來觀察發生在宇宙時間尺度上的事件，而不是人類時間尺度上的事件。宇航員的一生以極其緩慢的速度發生。他的成長和行動都放慢了 2.3 億倍。以這種速度，宇航員僅僅眨眼就需要 4 個正常月份。

一年被定義為地球繞太陽執行一週所需的時間。我們將根據年定義一種新的時間測量方法，我們稱之為“銀河年”。“銀河年”是太陽繞銀河系執行一週所需的時間，比普通年份長 2.3 億倍。如果我們想象將人類壽命拉長 2.3 億倍，那麼在大爆炸時出生的人將活得足夠長，以至於可以看到太陽的死亡。

天文學家推測，宇宙在開始時非常小、很熱、密度很大。從那以後，它一直在膨脹和冷卻。最初，宇宙幾乎完全包含氫和氦氣。宇宙非常均勻，沒有星系、恆星或行星。我們將把我們主角的出生時間定在大爆炸時。

我們的宇航員太年輕了，不記得大爆炸後宇宙的早期發展。當宇航員只有兩歲時，宇宙中就已經形成了原子，宇宙已經冷卻到足以讓均勻地充滿整個空間的氣體開始形成結構。請記住，這位假想的長壽宇航員測量時間要慢得多——對宇航員來說，兩天的時間相當於正常時鐘上的 100 萬年。雖然 100 萬年似乎是一段極其長的時間，但這只是宇宙歷史的一小部分。

我們宇航員對童年的最早記憶將包括第一批恆星和星系的形成，這些恆星和星系的形成始於宇航員大約 5 個“銀河年”大時。星系將繼續形成和發展，直到宇航員進入青春期，那時宇宙已經存在數十億年。如今，星系仍在繼續演化和變化。

關於宇宙的形成，存在兩種主要理論： “自上而下” 和 “自下而上”。 “自上而下” 理論認為，大爆炸後首先形成了巨大的星團，然後才分解成恆星和星系。而 “自下而上” 理論則認為，大爆炸後物質最初是均勻分佈的，後來才逐漸聚集形成恆星和星系。哈勃深空望遠鏡的最新資料似乎支援了 “自下而上” 理論。這些照片展示了來自 110 億光年以外的年輕星系。這些來自早期宇宙的年輕小星系支援了大型結構由較小結構形成的理論。這些星系看起來像是模糊的藍色斑點，帶有模糊的螺旋結構，直徑約為 2000 到 3000 光年。

生命出現的一個重要條件是重元素的存在。由於大爆炸只產生了氫和氦氣體，比它們重的所有元素都必須在後來的恆星中產生。這些其他元素——元素週期表上的所有元素——都是由恆星產生的。

恆星以氫和氦等輕元素為燃料。就像核彈一樣，它們利用原子能來產生能量。然而，恆星與核彈不同，大多數核彈的能量來自鈽和鈾等重原子。在核彈中，能量來自將重元素轉化為輕元素。這個過程被稱為 **裂變**。在恆星中，能量來自將輕元素轉化為重元素。這個過程被稱為 **聚變**。宇宙中比氫和氦重的所有物質都是由恆星中的聚變產生的。

一顆普通的恆星可以產生許多元素，特別是對生命至關重要的元素。然而，它無法產生所有元素；它無法產生比鐵重的元素。更重的元素是在 **超新星** 中產生的。當一顆質量巨大的恆星走到生命盡頭時，就會發生超新星爆炸。超新星極其明亮，極其熱。這就是宇宙中最重元素誕生的地點。

構成岩石行星的所有物質都是在恆星中產生的，其中一些是在超新星中產生的。這意味著，行星必須在恆星完成其生命週期並變成超新星之後才能形成。然後，這些物質會被噴射回太空，形成新的恆星，可能還有行星。這也意味著世界上的一切，包括你，都來自一顆恆星。正如天文學家卡爾·薩根所說：“我們都是星塵。”

這張圖展示了太陽系在形成過程中的可能樣子。圍繞太陽的圓盤包含氣體和塵埃，這些物質最終會被行星的引力吸收。雖然新生太陽系類似於一個星系，但它要小得多。

太陽和地球形成於大約 45 億年前，那時我們的長壽天文學家已經 37 “銀河年”了。一個太陽系形成的速度相對較快，我們的太陽系可能只花了大約 1 億年。太陽和行星形成於銀河系中的一團稀薄氣體，這團氣體最終凝縮併合並在一起。在此之後，地球變得非常熱。它是一個完全熔化的岩石球，熔化得如此徹底，以至於其稠度類似於水。當然，生命不可能在非常年輕的地球上存在。

然而，地球上的條件很快變得適合生命生存。對於我們基於碳的這種生命形式來說，一個行星需要具備以下條件：

1. 有機物（構成 DNA 的物質），
2. 液態水，
3. 能量來源，以及
4. 合適的溫度。

在地球歷史的早期，就具備了所有這些條件。科學家們不確定生命何時首次出現在地球上，但一些證據表明最早的生命出現在 35 億年前，當時我們的天文學家已經 47 “銀河年”了。

證據表明，一旦年輕地球上滿足了必要的條件，生命幾乎立即出現，但這個新星球上的第一批居民沒有表現出向更高階生命形式進化的強烈傾向。在原始的單細胞微生物進化為多細胞生命之前，過去了超過 20 億年。然而，一旦進化完成，高階生命迅速發展。這段生命複雜性快速發展的時期被稱為 **寒武紀生命大爆發**。

寒武紀生命大爆發發生在我們的天文學家 56 “銀河年”的時候。在我們的緩慢的宇宙時鐘上，已經過去了十年。從某種意義上說，這段歷史時期是地球上智慧發展的最深刻階段。

根據宇宙的標準，恐龍的滅絕非常近。

自寒武紀生命大爆發以來，地球上的事情變得非常有趣。在原始的多細胞生物進化為恐龍之前，我們的天文學家只老了一年，而恐龍與之相比，其複雜性和先程序度難以想象。現在，我們已經來到了近現代，因為恐龍的出現只比我們天文學家的生命中的這一刻早了十二個月。

現在我們可以看到，我們所處的時間範圍在宇宙的時間長河中僅僅是微不足道的一部分。根據什麼標準，恐龍的存在時間可以被認為是 “最近”？根據宇宙的標準。恐龍在地球上的存在時間很短。它們在 6500 萬年前消失了，相當於我們的天文學家的鐘表上過去了四個月。這給了哺乳動物崛起的機會。

根據我們天文學家的鐘表，人類首次出現在地球上僅僅是在 **八小時** 前。文明只佔了這段時間的極小一部分。第一套文字系統和文明的第一個證據可以追溯到 6000 年前，相當於我們天文學家的鐘表上過去了 15 分鐘。在宇宙的生命歷程中，所有的文化和所有書面歷史都可以壓縮成一次咖啡休息時間！

與宇宙的時間尺度相比，更接近人類生命跨度的時期在我們比較中變得更加微不足道。人們真正開始像我們今天理解的那樣，利用科學來探索世界，這只是最近的事情。這些第一批科學家，他們認為觀察和實驗是揭示宇宙本質的最終途徑，生活在 400 年前，相當於我們宇宙鐘錶上過去了 1 分鐘。

隨著我們逐漸接近現在，我們的生命似乎越來越短暫，越來越轉瞬即逝。我們的社會、我們的文化和我們的思想能持續多久？只有時間才能告訴我們答案。以目前的速度，似乎很快就會發生一些事情來阻止社會的下滑。

我們無法預測地球在未來 1000 年內會發生什麼，更不用說未來 100 萬年或未來 10 億年了。與此同時，銀河系將繼續沿著它的正常軌道執行，這個軌道碰巧正朝著最近的鄰居仙女座星系直線前進，大約在 12 “銀河年”後會發生碰撞。這不太可能像看起來那樣會給地球帶來災難——在星系合併期間，任何恆星之間的碰撞實際上都是極其不可能的。太陽系只會在這個碰撞後的新星系中安家落戶。

從現在開始 50 億年後，太陽將耗盡燃料，走向死亡。在那時，大約在大爆炸後 200 億年，這位長壽的天文學家將年滿 80 歲。太陽死亡後，地球將不再能支援生命，太陽系將變得相當荒涼。宇宙本身將在太陽和我們的天文學家死亡很久之後繼續存在，但它也會慢慢走向死亡，最終在繼續膨脹的同時變得寒冷而空曠。

回顧宇宙的尺度，看到人類在空間和時間中都微不足道，人們可能會想知道，科學是否為人類描繪了一幅黯淡、令人沮喪和絕望的畫面。有些人會這麼說，而另一些人則從宇宙的壯麗和宏偉以及未來可能帶來的可能性中找到慰藉。現在，人類在這個混亂而廣闊的宇宙中的未來仍然充滿不確定性。

事件摘要
2.3 億年 = 1 年

事件	真即時間尺度	壓縮時間尺度
結構開始形成	大爆炸後 100 萬年	2 天
最早的恆星和星系形成	大爆炸後 20 億年	6 年
太陽和地球形成	大爆炸後 90 億年	37 年
地球上出現生命的第一個證據	大爆炸後 100 億年	47 年
地球上出現高階生命形式	5 億年前	57 年
第一批恐龍	2.3 億年前	58 年
恐龍滅絕	6500 萬年前	4 個月前
人類出現	20 萬年前	8 小時前
文字的出現	6000 年前	15 分鐘前
現代科學思想	400 年前	1 分鐘前
現在	大爆炸後 137 億年	59 年
人類的壽命	80 年	10 秒
銀河系與仙女座星系碰撞	大爆炸後 170 億年	71 年
太陽死亡	大爆炸後 200 億年	80 年

科學記數法

在前面的部分中，我們討論了一些非常大的數字。在天文領域，出現如此巨大的數字很常見。這是天文學家和其他科學家在處理非常大或非常小的數字時使用 **科學記數法** 的原因之一。科學記數法是一種書寫和處理數字的系統，它使得處理非常小或非常大的數字變得更加容易。

例如，銀河系大約包含 3000 億億億噸物質。這是一個相當繁瑣的數字。（天文學家永遠不會真正寫出來。相反，他們會說銀河系包含太陽質量的 1 萬億倍，這要容易一些。我們將使用這個更大的數字來進行演示。）你也可以將這個數字寫成

3 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 噸，

但這更糟糕。科學記數法使數字更加緊湊易讀

3 × 10³⁹ 噸。

這個數字用語言表達為“3 乘以 10 的 39 次方噸”。這個數字在數值上等同於前兩種表達方式。

使用指數來表示數字，使數字能夠非常快地增長。這使得使用指數表示法來表示非常大或非常小的數字變得很方便。

用科學記數法正確書寫的數字有兩個部分。第一個是大於或等於 1 且小於 10 的數字（但可以是正數或負數）。這有時被稱為 **尾數**。第二部分是 10 的整數次方。第二個數字的指數被稱為 **冪**。一些用科學記數法正確書寫的數字的例子是

2 × 10¹⁸

-1.4 × 10²

7.656 × 10^-4

2.1 × 10⁰

另一方面，這些不是科學記數法表示的數字的有效示例

0.1 × 10⁴ 錯誤，因為尾數小於1

12 × 10³ 錯誤，因為尾數不小於10

8.4 × 10^2.2 錯誤，因為指數不是整數

請記住

10ⁿ = 10 × 10 × 10 × ... 共n次，

這意味著10的n次方等於10乘以自身n次，也就是1後面跟著n個0。例如，10³是10 × 10 × 10，即1000。這意味著我們前面提到的3 × 10³⁹噸相當於

3 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 噸，

即3後面跟著39個0。用科學記數法表示的指數為負的數字對應於一個小數字。例如，數字1 × 10⁻³在傳統記數法中寫成0.001。一般來說，

10^-n = 1/10 × 1/10 × 1/10 × ... 共n次。

以下是將用科學記數法表示的大數字轉換為標準記數法的步驟。寫下尾數並找到小數點的位數，然後將小數點向右移動指數指示的位數。這裡，指數是9，因此小數點向右移動九位。 以下是將用科學記數法表示的小數字轉換為標準記數法的步驟。將小數字轉換為標準記數法的步驟與將大數字轉換為標準記數法的步驟相同，只是小數點應該向左移動，而不是向右移動。

由於科學記數法依賴於十的冪，因此將數字從科學記數法轉換為標準記數法或反過來很簡單。要將一個大數字（帶正指數）從科學記數法轉換為標準記數法，首先確定尾數中的小數點的位置，然後將小數點向右移動指數指示的位數。要將一個數字從標準記數法轉換為科學記數法，只需反轉這些步驟。找到數字中的小數點，並將其移動，直到該數字至少為1但不小於10。計算移動小數點的位數，並將該數字用作指數。如果將小數點向左移動，則使指數為正。如果將小數點向右移動，則使指數為負。

科學記數法還可以簡化乘法和除法運算。要將科學記數法中的兩個數字相乘，將尾數相乘，並將指數相加

(3 × 10⁴) × (4 × 10^-2)

(3 × 4) × 10^{4 - 2}

12 × 10²

1.2 × 10³

在某些情況下，例如這裡所示的情況，您可能需要再次移動小數點以確保數字處於正確的科學記數法中。移動小數點不應超過一位。在科學記數法中除數字時，將尾數相除，並將指數相減

${\frac {3\times 10^{4}}{4\times 10^{-2}}}$

$(3/4)\times 10^{4+2}$

0.75 × 10⁶

7.5 × 10⁵

這裡也可能需要移動小數點並更改指數。

科學記數法可以輕鬆比較具有非常不同值的數字，因為所有零都被更易讀的指數取代。指數更大的數字始終大於指數更小的數字。

如果一個指數比另一個指數大幾個，則這兩個數字之間的差值顯然非常大。認識到兩個數字之間的巨大差異有時是一個非常有用的見解，因此在解決數學問題之前，花點時間直觀地感受一下問題通常是有意義的。在某些情況下，瞭解一個數字比另一個數字大多少是有用的。科學記數法使這變得更加簡單。對於粗略估計，您只需要找到指數的差值即可。例如，10⁷大於10³，因為7 - 3 = 4。

芝加哥自然歷史博物館的一些遊客正在驚歎於恐龍骨骼。其中一人問警衛：“你能告訴我恐龍骨骼有多古老嗎？”

警衛回答說：“它們有七千三百萬年、四年零六個月了。”

“這是一個非常精確的數字，”遊客說。“你怎麼知道它們的年齡如此精確？”

警衛回答說：“嗯，當我開始在這裡工作時，恐龍骨骼有七千三百萬年的歷史，那是四年前半了。”

（來自科學笑話網頁[1]）

在科學中，測量永遠不完美，數字永遠不精確。因此，我們進行的每次測量都與之相關聯的某種不確定性。科學記數法使表達一個數字的精確度變得容易。假設一位古生物學家發現了古代恐龍骨骼，並發現它們有七千三百萬年的歷史。當然，古生物學家並不知道它們的準確年齡。也許它們有73,124,987年的歷史，但古生物學家只知道年齡在100萬年內，所以年齡寫成73,000,000年，或7.3 × 10⁷年。這些表達中的任何一個都意味著骨骼並不完全有七千三百萬年的歷史，但有七千三百萬年的歷史，再加上或減去一百萬年。

但是，如果古生物學家知道年齡在200,000年內，並且確信骨骼不是，比如說，73.4百萬年？在這種情況下，標準記數法是模稜兩可的——該數字仍然寫成73,000,000年。在科學記數法中，我們可以將該數字寫成7.30 × 10⁷年。如果我們寫這個，我們的意思是第三位數字是有效的。古生物學家可能計算出骨骼有72,954,332年的歷史，但這報告這些數字是毫無用處的，因為這次測量的誤差為200,000年。多餘的數字是無關緊要的。一個數字中的有效數字數量反映了該數字中表達的精度。在這種情況下，有效數字的數量為三個。第一個有效數字是7，第二個是3，第三個是0。

科學記數法賦予數字小數點後面寫的尾數特殊的含義——它們表示該數字恰好是7.30 × 10⁷年。這與數學中通常使用數字不同，在數學中，小數點後的尾隨零沒有特殊含義。

在關於博物館警衛的故事中，警衛沒有考慮骨骼年齡的精度。將四年加到七千三百萬年中是沒有意義的，因為向警衛報出的年齡的不確定性遠遠超過四年。在使用具有不確定性的數字進行運算時，我們必須確保結果的精度不會超過原始精度。

在進行算術運算時，加或減的數字與乘或除的數字的處理方式不同。

當乘或除具有不確定性的數字時，確保答案的有效數字與原始數字中最不精確的數字的有效數字一樣多。

例如，在(2.3 × 10³) × (1.21 × 10²)中，數字2.3 × 10³有兩個有效數字，數字1.21 × 10²有三個有效數字。結果應有兩個有效數字：2.8 × 10⁵。我們假設給出2.3 × 10³的測量結果存在一些不確定性，這會導致計算結果存在一些不確定性。

加法和減法的運算方式不同。例如，在將23.14和2.2相加時，數字2.2的不確定性始於十分位。這種不確定性使報告和的百分位變得毫無意義。要檢視這一點，請嘗試將一些不確定性新增到2.2中，看看這如何影響和。

當將具有不確定性的數字相加或相減時，將結果舍入到具有最大不確定性的原始數字的最後一位有效數字。

例如，2.3 × 10³ + 1.1 × 10²可以寫成

	2300
+	110
	2410

但我們不知道2.3 × 10³中十位的真實值，所以我們只知道答案到百位。我們應該寫

	2300
+	110
	2400

或 2.3 × 10³ + 1.1 × 10² = 2.4 × 10³。這可能看起來不正確，但我們只是在進行舍入。由於我們不知道結果的精度超過兩位有效數字，因此報告多餘的數字毫無意義——這就像博物館的警衛告訴遊客恐龍骨骼有七千三百萬年、四年零六個月了。

幾乎每個數字都帶有一個測量單位。我們用作第一個示例的數字以噸為單位，我們將恐龍骨骼的年齡以年為單位表示。一個數字帶有的單位是數字本身的一部分。單位也可以像數字一樣相乘或相除。

例如，考慮一個簡單的等式

距離 = 速度 × 時間。

假設您駕駛一輛汽車，速度為每小時100公里（每小時60英里），並且您直線行駛一小時。您將行駛的距離為

$\mathrm {distance} =100{\frac {\mathrm {kilometer} }{\mathrm {hour} \!\!\!\!\!\!\!\!/}}\times 1{\mathrm {hour} \!\!\!\!\!\!\!\!/}$

或者 60 英里。我們像對待數字一樣消掉了小時單位。

當您需要轉換單位時，此技巧也很有用。如果您得到一個單位制下的結果，並且想要將其轉換為另一個單位制，您可以建立一個比率，例如 1,000 米/1 公里。由於 1,000 米等於 1 公里，因此 1,000 米/1 公里的比率等於 1。因此，將任何數字乘以 1,000 米/1 公里不會改變該數字的值。如果我們想知道 100 公里是多少米，我們可以寫成

$100\mathrm {\ kilometers} \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!/\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\times {\frac {1000\ \mathrm {meters} }{\mathrm {kilometer} \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!/}},$

即 100,000 米。

天文學中使用的其他測量單位包括公斤（質量）、牛頓（力）和焦耳（能量）。

科學方法

科學思想的結果在塑造當今世界中發揮了重要作用。這不僅是因為科技對我們生活的影響，而且還因為科學對我們思考方式帶來的改變。科學思維已經滲透到我們生活的方方面面，從根本上改變了我們看待世界的方式。正是科學的“思考方式”，即科學方法，構成了其核心。雖然“科學思想”或“科學”有時被用來指代包括化學、生物學、物理學等在內的所有科學理論和知識體系，但嚴格來說，科學僅指檢驗這些理論和思想的過程。

一張描繪了科學之手深入分析我們世界的一些基本方面的影像。

科學方法是基於物理證據進行新知識的調查和獲取的基礎。科學家利用觀察、假設和邏輯，以理論的形式提出對自然現象的解釋。這些理論的預測可以透過實驗重複檢驗，是開發新技術的依據。

雖然科學進步通常被描述為一種線性模式，它允許單個科學家從相對無知的狀態前進到知識狀態，但科學方法實際上遠比這複雜。科學方法不是一個食譜。它需要智力和想象力。科學不是對一步一步的指令進行無生命的執行，而是一個充滿創造力和靈感的過程。在過去半個世紀裡，科學哲學家、歷史學家和社會學家建立了一個更完整的模型，描述了科學實踐的實際方式。

這幅 19 世紀的版畫描繪了邁克爾·法拉第，一位早期電學實驗者，向眾多年輕人演示電化學實驗。作為早期電學科學家之一，法拉第對他實驗中觀察到的現象知之甚少。由於電的原理是一個謎，法拉第和他的同事在解釋實驗結果和設計新實驗方面遇到了很大困難。

現代科學進步的描述更加強調科學共同體的作用。一個孤立工作的人不可能進行科學研究。這是因為同行評審作為糾正錯誤、偏差和自身利益的手段發揮著核心作用。人性使即使是善意的科學家在孤立工作時也只能確認先入為主的想法。由於科學與一個共同體緊密相連，因此進步通常是分散的，從許多階段和不同的方向同時進行。

在一個新的科學探索領域，科學進步最初很緩慢。研究人員努力尋找對他們研究領域的工作機制的基本描述。這種探索的動力來自對現實中表現出來的某些有趣現象的觀察。科學家在一個發展中的領域進行的觀察和實驗通常由科學家的興趣和便利性決定。這些科學家沒有成功的實驗遺產，也幾乎沒有共同點。正因為如此，科學領域的新追求缺乏方向，缺乏將科學家團結起來並指導科學研究方向的廣泛共同基礎。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋，法拉第的學生之一，建立了我們今天理解電的正規化。電磁理論將法拉第的工作建立在堅實的科學基礎上，為未來電學研究工作創造了一個框架。麥克斯韋的理論還解釋了光是一種電磁現象。

隨著新領域的進步，一套基本的原則開始生效並得到廣泛認可。這些原則成為新領域中科學家的共同基礎，即正規化基礎。有了正規化，研究人員在解釋新實驗結果時就不必從頭開始。相反，他們會向一個在共同正規化下工作的專業受眾解釋他們的工作，並在該正規化的背景下描述他們的工作。他們不再缺乏工作方向——正規化決定了哪些實驗可能有助於進一步探索其領域的問題。因此，已建立的正規化是追求科學的極其寶貴的資產。

在存在已建立範式的條件下，正常的科學研究過程開始了。科學家試圖透過建立基於其正規化的理論並進行相關的觀察來檢驗這些理論，並進一步闡明範式，從而澄清對其研究領域的理解。觀察結果能更好地洞悉正規化，並檢驗理論和正規化與現實的一致性。這些理論能夠辨別正規化和自然界中以前未見過的細節，並指導新的觀察方法。

對於科學進步的正常程序，這些方法極其有效。然而，在某些情況下，一個科學學科可能建立在一個從根本上錯誤的正規化之上。這會帶來一個問題，因為一個學科背後的正規化受到該學科從業人員的極度重視。文藝復興時期的科學革命期間的天文學就是這種情況。從亞里士多德時代起，人們就認為地球是宇宙的中心，其他一切都在圍繞它旋轉。最終，對行星位置的觀察使得亞里士多德的模型與現實不符。隨著時間的推移，修改亞里士多德的正規化以使其與觀察結果相符變得越來越困難。一個新的、完全不同的正規化的可能性變得越來越吸引人，而以太陽為中心的宇宙的新思想開始紮根。

幾乎總是有一些觀察結果無法用現有的科學理論來解釋，但知識和理論之間的差距不足以產生正規化轉變。在《科學革命的結構》中，庫恩聲稱科學革命只有在該領域的主導正規化處於危機狀態時才有可能。只有當人們意識到與正規化相關的思想與觀察結果無法調和時，人們才會開始覺得追求全新的解釋是合理的。

當科學家考慮理論時，無論是作為新正規化的候選者還是作為現有正規化的詳細闡述，他們都會根據一些標準來評估理論，這些標準多年來已被證明是有效性的相關指標。這些標準由科學哲學家卡爾·波普爾在他的著作《科學發現的邏輯》中描述。

科學的核心目標是產生與現實一致的理論。科學透過檢驗理論的有效性來實現這一目標，如果觀察結果不能證明與理論一致，則丟棄或修改該理論。使用這種方法要求理論是可證偽的。為了使一個理論具有科學性，它必須與現實的可觀察方面相關。至少在原則上，必須能夠進行與該理論邏輯不一致的觀察。換句話說，該理論必須做出非平凡的預測，這些預測可以透過一組觀察結果來檢驗。如果科學家發現一個理論的預測是錯誤的，那麼該理論就被證偽。*科學理論的一個核心屬性是它們永遠無法被證明，但最終可以被證偽。*這一事實使得一個理論必須在進行科學檢驗之前做出具體的、有用的預測至關重要。

現代物理學最偉大的成就之一是預測和隨後觀察到被稱為頂夸克的亞原子粒子的存在。愛因斯坦的方程預測了這些粒子的存在，並描述了它們的一些性質。伊利諾伊州巴達維亞的費米國家實驗室的碰撞探測器的一個目標是透過尋找頂夸克來檢驗該理論。1995年，費米實驗室的科學家宣佈他們成功地觀測到了頂夸克。

對可證偽性的需求意味著需要做出明確預測的理論。做出強有力預測的理論被認為具有很高的預測力。具有高預測力的理論做出大膽、清晰且可檢驗的預測。具有高預測力的理論在科學中更受重視，因為它們更容易被證偽。科學家認為，儘管有強有力的預測，但尚未被證偽的理論更可靠，而做出較少預測或較不大膽預測的理論往往會受到更多質疑。

科學理論必須具有強預測力的要求導致了一個令人驚訝的觀念，即不可信的理論應該優先於可信的理論。這是因為不可信的理論所做的主張更加大膽，更容易被證偽。為了成功，一個科學理論必須做出一個在其他情況下不會預期的預測。如果一個理論做出了看似荒謬的主張，結果卻被證明是正確的，那麼這個理論得到了很好的支援。這種透過建立和檢驗模型預測來發展科學思想的機制是科學的基礎。

科學理論的最後要求是，它們儘可能簡單，同時仍然準確地描述自然。這個要求是由英國邏輯學家和方濟各會修士奧卡姆威廉著名的。他用拉丁語表達了這個要求，即

Numquam ponenda est pluritas sine necessitate,

它的大致意思是

斷言不應不必要地增加。

這條格言被稱為奧卡姆剃刀。這是一個非常有用的原則，但也是科學中最被濫用的教條之一。

奧卡姆剃刀警告我們，當兩個理論做出相同的預測時，依賴較少假設的理論更有可能正確。剃刀基於這樣一種原則，即現實不太可能符合我們的先入為主的想法。在沒有證據的情況下，不進行推測通常更明智。

科學家使用歸納推理和演繹推理來了解自然。在歸納推理中，人們使用觀察結果和實驗結果來對自然界的工作原理進行概括。這些概括導致新的理論或對理論的新的詳細闡述。在演繹推理中，現有的理論被進行理性的考慮以產生理論的邏輯結果。這些結果可能導致新的理論和預測，這些理論和預測可以透過實驗來檢驗。

在建立理論或區分競爭理論時，科學家依賴於兩種不同的推理型別：歸納推理和演繹推理。

歸納推理從特殊到一般。它涉及進行觀察並根據觀察結果建立概括。例如，你可能會連續一年每天觀察日出，你會注意到太陽每天都在東方升起，或多或少。你可能會得出結論，太陽總是從東方升起。歸納推理涉及從有限的資訊樣本中得出結論。你無法知道太陽明天是否不會從西方升起。儘管如此，隨著觀察的持續，一個模式將變得明顯，並且年復一年地觀察讓人們相信太陽必須總是從東方升起。如果模式保持非常一致，那麼即使潛在的原因不明顯，它也可以被認為是可靠的。如果曾經提出一個理論來預測太陽總是從東方升起，那麼這個理論將得到很好的支援。另一方面，如果一個理論預測太陽有時從東方升起，有時從西方升起，那麼這個理論將受到觀察結果的不利影響，即使它在嚴格意義上沒有被證偽。請注意，歸納推理有可能，儘管不太可能，會使一個正確的理論失去信譽或支援一個錯誤的理論。雖然它是一個強大而重要的工具，但在科學中，當歸納推理基於非常有限的觀察樣本時，必須對其持懷疑態度。

演繹推理從一般到特殊。它基於邏輯論證（*三段論*）。作者劉易斯·卡羅爾發明了一個演繹推理的例子，如下所示

所有獅子都兇猛。

有些獅子不喝咖啡。

因此，有些兇猛的生物不喝咖啡。

與歸納推理不同，演繹推理在假設正確且邏輯正確的情況下是完全可靠的。由於演繹推理在使用良好的假設和適當方法時是絕對可靠的，因此很容易過分信任基於演繹推理得出的結論。重要的是要記住，這些結論也需要仔細檢查，以確保假設是好的，推理是有效的。實際上，演繹推理與歸納推理一樣容易出錯。只有錯誤的來源不同。

人們在天文領域做什麼

天文學與所有科學一樣，是一項社會活動，人們不斷地討論新思想，解釋資料，並就觀察結果的含義相互爭論。天文學家可以大致分為兩類。**觀測天文學家**專門從事建造望遠鏡和航天器等儀器，並收集原始資料並將其處理成有意義的結果。**理論天文學家**，也稱為**天體物理學家**，則利用觀測天文學家提供的結果，試圖建立物理模型來解釋觀察者所見到的資料，併為觀察者應該進行的方向提供想法。理論天文學家越來越依賴計算機模型，並且經常擅長程式設計。

天文學比較獨特，因為許多資料是由**業餘天文學家**提供的。某些領域，如變星天文學或彗星發現，所需的資料可以透過對感興趣的業餘愛好者來說預算範圍內良好的儀器來收集。

在上面顯示的贈款評審小組中，科學家們審查和批評新的研究提案。

同行評審

科學過程的核心部分是同行評審，它發生在過程的幾個階段，並建立了 H.H. Bauer 所謂的**知識過濾器**。在同行評審過程中，提案或期刊文章會被提交給一組匿名評審人，他們會匿名提交對該提案的評論。雖然評審人有時會互相交流，但他們並不打算對工作質量達成共識。此外，評審人通常沒有最終決定提案命運的權力，而是將他們的意見提交給擁有最終決定權的編輯或專案主管，有時會推翻評審人的意見。

評審人的意見通常會提供給提交人，並且通常包含對提交人提出的改進建議。這被認為對科學過程至關重要，因為它允許提交人接收對其提案的反饋並改進它。在某些情況下，鼓勵提交人修改後重新提交提案，這通常發展成評審人與提交人之間的匿名交流。

獲取所需資源

天文學中的許多工作都涉及獲取資源，包括

• 金錢
• 對於觀測者來說，望遠鏡和裝置時間
• 對於理論家來說，計算機時間

為了獲得這些資源，天文學家通常會寫出贈款提案，概述所需的資金、望遠鏡和計算機時間。

贈款提案通常會經過資助機構的同行評審，其中包括對它如何與資助機構的優先事項相符的反饋，委員會認為它有多大可能推進知識前沿，以及分配的資源對研究人員有多麼重要。通常，一定比例的望遠鏡或超級計算機時間將提供給託管或資助該資源的機構，使該機構的科學家優先使用該資源。剩餘的時間將對來自其他機構的研究人員的科研專案開放。就地面望遠鏡時間而言，最寶貴和最受追捧的時間是**黑暗時間**，在此期間，月亮是新月，最暗淡的天體可以被看到。

在某些情況下，例如建造新的望遠鏡、超級計算機中心或資助新的航天器，天文學家必須遊說慈善基金會和立法機構等資助者，以獲得資金來資助特定活動。研究設施的遊說可能非常激烈，因為將設施設在您的機構可以讓您的機構優先使用該設施，並獲得聲望，使您的機構成為研究人員的目的地。

觀測天文學家的生活

通常，在觀測執行中，您會在下午 3 點左右醒來。白天，技術人員會安裝您晚上觀測執行所需的儀器。您在下午 3 點去望遠鏡，檢查所有東西是否安裝正確，因為您不想在凌晨 3 點因為出現故障而叫醒某人，然後您在日落前的兩個小時內拍攝一些校準照片。

太陽開始落下後，您的第一個目標是找到您要拍攝的目標。您可以將座標輸入計算機，但這隻會將望遠鏡指向您感興趣的空中的一般區域。接下來，您需要拿出星圖，尋找一個與您正在尋找的目標相近的星系圖案。這很像在陌生的城市開車時，您看著顯示器，然後試圖將看到的圖案與圖表上的圖案匹配。

所以你現在找到了你正在尋找的目標。在這些測量之間，您會拍攝一些校準裝置的快照。如果您正在檢視光譜，您會拍攝一個在某些已知位置具有譜線的熒光燈的照片。如果您正在測量亮度，那麼您需要拍攝一些已知亮度的恆星的照片。

所以經過一晚上的所有這些工作，您現在有一些資料儲存在硬碟上，然後您可以去睡覺。接下來的幾周是困難的部分。您會看到您有很多原始資料，但對任何人都沒有用。問題是所有資料都沒有經過校準。因此，您接下來的幾周將用於獲取資料、減去黑電平、校正白電平、拉伸和縮小圖片，以便您知道光譜的頻率。您可能還會花費時間做一些事情，例如嘗試校正星系中塵埃的影響。在整個過程中，您可能正在使用一個名為 IRAF 的天文軟體包，該軟體包與所有大型軟體包一樣，也有其可愛的錯誤和特性。所有這些完成後，您就有一篇論文，準備發表了。

觀測天文學家經常受到不受他們控制的事物的影響。如果在執行之夜恰好是多雲或下雨，那麼花費數週甚至數月的時間設定觀測執行可能會付之東流。

理論家的生活

與觀測者不同，理論家是白晝的生物。典型的理論家將白天花在閱讀論文上，試圖理解如何模擬特定型別的現象。一旦他們有了模型，目標就是試圖從該模型中獲得可測試的預測，而這通常意味著對計算機進行程式設計以計算該模型的結果。偶爾會有一些靈感的閃現，但大多數時間都花費在非常緩慢而有條不紊地試圖理解模型的結果，並緩慢而有條不紊地將模型程式設計到計算機中並系統地消除模型中的錯誤。

還有很多社會互動，因為理論家會爭論和辯論特定觀測的含義，以及理論家和觀測者分享關於最新資料的想法。

讓大家知道你的研究

有許多渠道可以使科學成果為人所知。天文學家用來讓其他人瞭解當前研究的主要手段是透過 **預印本**，即透過網路伺服器（如洛斯阿拉莫斯預印本伺服器，網址為 http://www.arxiv.org/）上傳的論文，或透過 **會議論文集**，科學家在其中透過演講或海報論文宣佈他們的成果。天文學家還在各部門之間不斷旅行，在研討會、天文午餐和期刊俱樂部上發表關於他們研究的演講。

儘管預印本對其進行了補充，但 **主要文獻** 中的同行評審出版仍然被認為是宣傳研究的必要組成部分。這種文獻包括髮表在 **天體物理學雜誌** 或 **天文學與天體物理學** 等期刊上的文章。由於同行評審通常需要數月的時間，因此研究成果通常會在同行評審完成之前透過預印本與社群分享。儘管如此，天文學家仍然普遍地將他們的論文提交給同行評審，即使在成果釋出給研究界之後，因為匿名評審員與論文提交者之間的互動提高了作品的質量，並確保社群該論文沒有明顯的錯誤。

一旦天文學論文可以發表，就可以透過哈佛大學天體物理資料系統訪問它，網址為 http://ads.harvard.edu/。越來越多的天空調查的原始資料在網路上公開。

主要文獻的一個缺點是它報告個別研究結果，而沒有提供背景資訊。因此，對於沒有積極參與某個領域的研究的人來說，很難理解該工作的相關性。為了解決這個問題，主要文獻被總結和合併到 **次要文獻** 中，在那裡會被更廣泛的科學家群體閱讀。次要文獻是對該領域近期研究成果的綜合。次要文獻的範圍包括定期進展回顧，例如 **天文學與天體物理學年度回顧**，專業書籍和其他研究摘要。

如何成為一名天文學家

大多數天文學家在本科階段主修物理學或天文學，然後進入研究生院，在一位論文導師的指導下攻讀博士學位。成為一名天文學家面臨的主要挑戰是掌握數學和物理學的語言，以及在科學過程中獲得經驗。

研究生畢業後，天文學家通常會擔任博士後研究員，然後在大學擔任教授或在實驗室擔任研究員。由於獲得博士學位的畢業生人數眾多，擁有天文學學位的人越來越多地在學術界之外找到工作。他們在科學相關領域工作，例如軟體公司的計算機程式設計師，甚至在華爾街工作。

天文學也向業餘天文學家開放。大多數變星資料可以透過業餘愛好者負擔得起的望遠鏡獲得，業餘愛好者提供了重要的觀測資料。

註釋

[2] 在同行評審完成之前釋出研究結果的做法有一些例外，這涉及速度和完整性之間的權衡。

當一項結果被認為可能存在爭議時（例如可能在火星上發現微化石），研究人員可能會選擇在同行評審完成之前將發現保密，以便該結果在釋出後能夠經受住挑戰。另一種在同行評審完成之前保留結果的情況涉及釋出大型資料集，例如天空調查。在這種情況下，同行評審帶來的延遲與在宣佈結果之前進行全面評審的好處相比微不足道。

討論問題

1) 訪問洛斯阿拉莫斯預印本網站或天體物理資料服務，找到一篇論文。論文的結構如何？你在論文中發現了哪些文字中的概念？

2) 檢視網上幾個大學天文系的課程安排。討論了什麼內容？不同的天文系之間有哪些不同之處，哪些方面又相同？

暗物質和暗能量

暗物質是不可見的，但它被假定為對可見物質有明顯的影響。它是對觀測到的將星系和星系團結合在一起所需的引力強度的一種解釋。如果沒有比用望遠鏡探測到的還要多的質量，大約多 10 倍，這些系統就應該簡單地飛散開來。暗物質理論假設存在幾乎不發射輻射的物質，因此無法用望遠鏡觀測到。暗物質也可能需要解釋宇宙微波背景 (CMB) 功率譜。解釋暗物質的一些建議是，例如像弱相互作用大質量粒子 (假想的 WIMP) 或中微子之類的粒子，或者大質量緻密暈天體 (MACHO)，或者以某種方式隱藏的普通物質，或者修正的引力 (MOND、MOG、f(R))，或者這些事物的某種組合。

另一個假設，暗能量，被提出來解釋宇宙膨脹加速的驚人觀測結果。這種膨脹的加速是透過測量星系調查中的一種特定型別的超新星（稱為 Ia 型超新星）發現的。Ia 型超新星被使用，因為它們都具有相同的絕對亮度。（我們將在後面的章節中討論為什麼它們的絕對亮度相同，以及如何使用它們來測量距離，General Astronomy/The Death of High Mass Stars）。這使它們非常適合測量距離。在進行測量之前，人們曾預計，由於所有物質的引力，宇宙的膨脹將減速。暗能量被假定為解釋推動事物分離的明顯排斥力。正在進行的研究工作是更準確地測量膨脹率，並發現暗能量的本質。

暗物質通常被認為是存在的，儘管仍有一些疑問。它可能不是由質子和中子（重子物質）構成的普通物質。這是因為在宇宙最初幾分鐘發生的核反應中，普通物質的密度更高（稱為大爆炸核合成），預計會產生不同丰度的輕元素及其同位素，如氘，而不是實際觀測到的。普通物質的另一個問題是，觀測到的星系和宇宙背景輻射的“團塊”與預測結果不符。其他考慮因素也傾向於不支援中微子作為暗物質。

暗物質假設的替代方案是新的力或修正的引力理論。有人推測存在另一種大規模力，它使我們的宇宙保持在一起。 另一種可能的解釋是將空間視為氣體和空間固體。如果您將兩個物體彼此分開，然後加壓該區域，這兩個物體將被強制向彼此靠近。這顛覆了我們目前對引力的想法，從物體對其他物體有吸引力，轉變為物體從各個方向被推開。（單獨的物體沒有運動，但兩個物體會產生不均勻的壓力，將物體推在一起。）

暗物質

估計宇宙中 23% 的物質是暗物質。普通物質只佔宇宙的 4%。剩下的 73% 是一個更加神秘的、排斥性的“暗真空能量”。

目前最流行的理論是，斥力實際上是空間本身的一種屬性：它是由粒子與反粒子相互湮滅產生的能量波造成的，這些能量波在產生後會相互湮滅，淨效應為零。在宇宙早期，當空間還很小時，這種效應與引力相比微不足道。但隨著星系的相互遠離，這種效應變得越來越大。 [2]

組成歷史與概念

暗物質的概念最早由瑞士天體物理學家弗裡茨·茲威基於1933年提出，用來解釋星系團中星系的軌道運動。他觀察到，星系團的質量明顯比可見天體（如恆星、氣體和塵埃）的總和要大得多。因此，一定存在一些無法觀測到的物質在增加星系團的質量。後來，當X射線望遠鏡投入使用後，它們揭示了星系之間存在著一團高溫氫氣，這解釋了部分缺失的質量。從20世紀60年代開始，維拉·魯賓發現，與開普勒定律不同（開普勒定律認為圍繞中心天體執行的天體離中心天體越遠，速度越慢），實際上星系中恆星的軌道速度在距離星系核一定距離之外仍然大致相同。因此，必須存在一些額外的物質，要麼在星系的扁平盤中，要麼在星系核周圍的球形暈中。她基於茲威基的研究得出結論，這種額外的質量就是暗物質。暗物質是指我們無法直接觀測到，但能透過它對周圍物體的影響推斷其存在的一種物質。雖然暗物質的組成仍然未知，但科學家已經提出了一些可能的暗物質候選者。它們是：

• 電離氣體 — 輻射熱自由輻射，無法觀測。
• 塵埃 — 輻射輻射，由比氦重的元素組成。
• 主序星 — 可能是一種成分，但不可能是暗物質的唯一成分，因為其中很大一部分是可見的。
• 黑洞 — 可能性很小，因為它們會破壞暗物質的二元分離。然而，對產生黑洞的爆炸知之甚少，因此它仍然是一種選擇。
• 白矮星 — 在形成過程中，白矮星會產生許多中等質量元素（He、N、Ne、C、O）或暈氣體，這些元素或氣體是不可見的。
• 中微子 — 可能性很小，但它們確實有足夠的質量來成為候選者。
• WIMP或冷暗物質 — 弱相互作用粒子，儘管它們確實以非相對論速度運動。

下圖是摘自《現代宇宙學觀測與問題》（140）的一張更深入的流程圖，描繪了上述建議之間的聯絡。http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Bothun2/Figures/dm1.gif

再電離

宇宙背景輻射形成於質子和電子結合形成原子的時候。問題是，我們知道今天星系之間的物質是電離的（即它是分離的質子和電子），並帶有氫原子的團塊。我們知道這一點，因為當我們觀察除最遙遠的星系之外的所有星系時，我們沒有看到氫的光譜線。因此，宇宙中的氫在某個時候重新電離了。人們認為是星光導致宇宙中的氫重新電離，但最新的觀測表明，這種再電離發生在第一批恆星出現之前。

星系形成

理論認為，星系起源於大爆炸後形成的微小密度漲落。透過假設宇宙主要由冷暗物質組成，你幾乎可以得到你用當前的星系看到的團塊。但仍然存在難題。令人煩惱的是缺乏微型星系，而且冷暗物質預測的旋轉曲線，與我們觀察到的並不完全一致。

大爆炸之前

現在讓我們來進行一些推測，最近有一些論文試圖弄清楚大爆炸之前發生了什麼。其中一個奇怪的想法是，宇宙僅僅是多維空間中的一個平面，而發生的事情是多維空間中的兩個膜發生碰撞，導致三個維度的巨大膨脹。這都是非常推測性的，但奇怪的是，它與觀測並不完全脫節。這個想法是，你可以用這個模型來預測宇宙的初始膨脹，這可能會對你在宇宙微波背景中看到的漣漪產生一些影響。最大的問題是，開始膨脹的物質必須一直存在，然而，由於元素的可預測性，它必須有一個明確的外部力量來啟動它，這個力量可以決定何時啟動“連鎖反應”。某樣東西不可能永遠保持穩定狀態，甚至是不穩定狀態，然後最終爆炸，它必須處於一個迴圈之中。換句話說，考慮以下幾點。從無到有，一個以前不存在的密集質量自發出現，它以自身以前不存在的能量爆發成一個巨大的火球，並從這種混亂中自發且立即創造出定義的物理基本力和亞原子基本粒子，這些粒子最終組織成各種原子種類，然後形成分子，然後形成各種無機物，這些無機物在引力的作用下自行組裝成這個高度結構化和精確有序的宇宙。我們都知道這是荒謬的，但說“一個以前穩定的質量自發變得不穩定”同樣荒謬。

面對所有這些難題，我們不清楚接下來會發生什麼。我們正在收集大量的資料，也許有了新的資料，就可以對宇宙模型進行一些微調，使我們的模型正常工作，我們就可以繼續按照庫恩所說的“正常科學”的方式進行下去。也有可能有一天，我們會看到一些像伽利略看到金星的相位一樣的觀測——一些在當前事物正規化中完全沒有意義的觀測，這將迫使人們從根本上改變他們對宇宙的看法。

討論問題

1）找一本舊的天文學教科書，並與一本最新的天文學教科書進行比較。舊天文學教科書中哪些謎團現在被認為已經解開，舊天文學教科書中哪些事實和陳述現在被認為是錯誤的？

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