我們?nèi)绾沃烙钪娴拇笮　⒛挲g、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(duì)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(píng)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.......

通過天體距離測(cè)算宇宙年齡

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(huì)走多遠(yuǎn)呢?不是很遠(yuǎn)，就是上圖中的黃圈。對(duì)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(huì)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(huì)更加黑暗。

我們?nèi)绾螠y(cè)定宇宙天體之間的距離

那么我們?nèi)绾螠y(cè)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(huì)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?cè)诳措娪暗臅r(shí)候摘下眼鏡，畫面就會(huì)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(jiǎn)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(dòng)的情況下，我們換個(gè)眼睛，這時(shí)你會(huì)看到你的拇指相對(duì)于較遠(yuǎn)處的物體發(fā)生了移動(dòng)，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(huì)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(shí)，我們就可以通過測(cè)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(dòng)來測(cè)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(cè)量恒星的視差位移。視差偏移越大，恒星就離我們?cè)浇Ｄ壳叭祟惏l(fā)射的蓋亞航天器能夠以幾微秒的精度測(cè)量視差，這使我們能夠以很好的精度測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)亮度。然后將絕對(duì)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(cè)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(huì)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(huì)在其核心融合一些更重的元素，由此產(chǎn)生的熱量和光會(huì)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(huì)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(jiǎn)并壓來抵抗恒星的重力，如果電子再被壓進(jìn)質(zhì)子，就會(huì)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(huì)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(huì)再次點(diǎn)燃核心聚變，由于反應(yīng)迅速會(huì)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(huì)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?cè)诰嚯x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(huì)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(cè)定遙遠(yuǎn)星系的距離。如果我們?cè)谶b遠(yuǎn)的星系中觀測(cè)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(cè)量數(shù)十億光年的宇宙距離。

我們?cè)鯓又烙钪娴哪挲g？光速再過去的幾十億年里是不是恒定的？

現(xiàn)在，作為一個(gè)懷疑論者，你可能會(huì)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?cè)鯓又拦馑俨粫?huì)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?cè)鯓哟_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(shí)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(cè)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(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。光譜線條會(huì)在某些區(qū)域分散開來，而在另一些區(qū)域則會(huì)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?cè)O(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)，我們也在回往更遙遠(yuǎn)的時(shí)間。通過多普勒效應(yīng)，我們知道光源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以影響所觀察到的光的顏色。如果光源向我們移動(dòng)，我們看到的光就會(huì)發(fā)生藍(lán)移。如果光源遠(yuǎn)離我們，光線就會(huì)紅移。源移動(dòng)得越快，位移越大。

我們測(cè)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(huì)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(cè)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，也在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。