導讀 霍金和他的理論

輪椅上的“宇宙之王”

奇點定理 黑洞不黑

從《時間簡史》到《大設計》

霍金腦中的宇宙誕生及未來

章 我們的宇宙圖像

人類認識宇宙，從“看星星”開始

與生產生活密切相關的天像觀測

從星占學家到球形大地

宇宙地心說

日心說出爐

開普勒三大定律

布魯諾相信，宇宙沒有中心

牛頓引力理論表明，宇宙不可能靜止

在某一個有限時刻，宇宙開端了

星繫是遍布宇宙的龐大星星“島”

神秘天河中藏著無數恆星

星繫“類型秀”

星繫群——星繫團——超星繫團

美麗的仙女座和獵犬座星雲

扁平圓盤狀的銀河繫

廣袤銀河中，人類居住在太陽繫

超新星爆炸事件

河外星繫的發現

以光年為標尺，量一量宇宙中的“超遠”距離

丈量宇宙的標尺

宇宙“量天尺”——造父變星

星繫大小和間距

從太陽到比鄰星

我們知道宇宙在膨脹，卻弄不懂金字塔

哈勃的觀測

望遠鏡中的宇宙

金字塔之謎

虛空中的巨大空洞和宇宙長城

邁向明天的宇宙學

第二章 空間和時間

就算物質都毀滅，時間和空間依然相互獨立存在

羽毛和鐵塊為何同時落地

牛頓的引力定律

無論怎麼測量，光速數值始終不變

時間和空間

牛頓的困惑

一切都是相對的，時間和空間是相結合的

光的媒介是像風一樣的以太嗎

拋棄以太——光速是恆定的常數

被終結的時間

無論何時何地，物理法則永遠不變

沒有的同時

從四維空間裡，找出你的時空坐標繫

引力折彎光線，形成彎曲的時空

太陽熄滅是 分鐘之前的事情

光會被引力場折彎

變慢的時間

雙生子弔詭的真相

第三章 膨脹的宇宙

星繫不斷遠離，宇宙時刻膨脹

星繫正以百萬千米的時速“逃離”銀河繫

用光的波長和顏色來觀測遠去的恆星

多普勒效應

紅移表明星繫確實在遠離我們

越遠的星繫“逃離”的速度越快

膨脹的宇宙

以光年為標尺，量一量宇宙中的“超遠”距離

丈量宇宙的標尺

在宇宙中如何測量距離呢？宇宙中天體之間的距離非常遙遠，如果用地球上常見的米、千米等長度單位來測量，就好比把從你家到單位的距離說成是幾千萬毫米一樣，得到的結果往往會讓人啼笑皆非。那麼，要測量宇宙中天體的距離，該怎麼辦呢？

天文單位，是天文學上的長度單位，英文縮寫為AU，一天文單位約是149597871千米，相當於地球到太陽的平均距離。由於人們早是從地球、太陽開始認識宇宙的，因此早在人們提出地心說之時，他們就試圖測量地球到太陽之間的距離，並希望以此為標準單位來度量其他天體間的距離。古希臘天文學家阿裡斯塔克斯提出日心說之時，就曾估算太陽到地球的距離是地月距離的18～20倍，但實際上這個數值是390倍。後來，托勒密在研究行星運動規律時，也曾推導出地球到太陽的距離大約是地球半徑的1210倍。雖然從理論上來說，托勒密的計算方法是可行的，但按照他的計算方法，隻要測量數據稍起一點變化，就會導致測得的距離變成無限大。

當然，由於地球和太陽之間的距離隨時都在發生變化，因此隻能取距離數值的平均值做一個天文單位。在2012年8月於中國北京舉行的國際天文學大會（IAU）上，天文學家就以無記名投票的方式把天文單位固定為149597870700米。

如果僅僅在太陽繫中測量天體距離，天文單位作為一個度量是很合適的，但若將其應用到整個宇宙範疇中測量恆星間的距離，就會顯得有些不足。例如，如果用天文單位來表示太陽和離它近的恆星α星之間的距離，就是270000個天文單位，後面依然有好幾個0。因此，為了更方便地測量整個宇宙中的天體距離，天文學家定義了一個單位叫“光年”，即光在真空中行進一年的距離，用它來度量宇宙中更大範圍的恆星間距。

光的傳播速度是非常驚人的，在真空中大約每秒30萬千米，一年中行進的距離達到9.5萬億千米。據說，目前人造的快物體是1970年德國和美國合建並發射的Helio2衛星，速度為70.22千米每秒，依照這樣的速度，它飛躍一光年的距離大約需要4000年時間。而常見的客機，時速大約是每小時885千米，飛躍1光年則需要1220330年。由此可以想像，光年對於人類來說是多麼龐大的尺度，這樣的尺度足以應用到廣袤的宇宙空間了。此外，由於光在真空中的傳播速度是恆定不變的，因此光在一年時間裡行進的距離也是恆定不變的，如此一來，天文學家就可以利用這把大尺子方便地測量宇宙中恆星間的距離。例如，太陽與α星之間的距離就大約是4.22光年，而所知的遠的恆星離太陽的距離要超過100億光年。

需要注意的是，光年聽起來像時間單位，但它其實是一個長度單位。在天文學中，由光年而來的還有另一個單位，叫秒差距。秒差距是天文學中另一個常用的單位，1秒差距等於3.26光年。目前，我們所處的銀河繫的直徑大約有7萬光年，而整個天文觀測的範圍已經擴展到了200億光年的廣闊空間。依靠著光年這把在地球人看來龐大無比的“空間大標尺”，天文學家展開了對廣袤宇宙的不斷探索。

宇宙“量天尺”——造父變星

宇宙中，在測量不知距離的星團、星繫時，隻要能觀測到其中的造父變星，就可以利用周光關繫將星團、星繫的距離確定出來。因此，造父變星也被稱為宇宙的“量天尺”。

變星，就是指亮度經常變化並且伴隨著其他物理變化的恆星。通常，多數恆星在亮度上幾乎都是固定的，以太陽來講，其亮度在11年的太陽周期中，隻有0.1%的變化。但其他許多恆星的亮度都有顯著的變化，它們就屬於我們所說的變星。

造父變星，是一類亮度隨時間呈周期性變化的變星。1784年，人們在仙王座發現了一顆變星，即仙王座的仙王座δ星，由於這是這種類型變星中被確認的顆，而中國古代又稱其為造父一，因此被叫作造父變星。1908～1912年，美國天文學家_勒維特在研究大麥哲倫星繫和小麥哲倫星繫時，在小麥哲倫星繫中發現了25顆變星，它們的亮度越大，光變周期越大，非常有規律。於是，科學家經過研究終發現，造父變星的亮度變化與它們的變化周期之間存在著確定的關繫，即光變周期越長，平均光度越大，他們把這叫作周光關繫，並得到了周光關繫曲線。

星等，是一個表示星體亮度的概念，其數值越大，說明星體越暗。據觀測，造父一亮時的星等是3.5，暗時星等是4.4，它的光變周期非常準確，為5天8小時47分28

秒。通常，造父變星的光變周期有長有短，但大多都處於1～50天之內，並且以5～6天多，當然也有長達一兩百天的。此外，造父變星都屬於巨星、超巨星，一顆30天周期的造父變星就要比太陽明亮4000倍，1天周期的也要比太陽明亮100倍，因此很容易利用它們的周光關繫來測量其所在的星繫的距離。

如果兩顆造父變星的光變周期相同，則認為它們的光度就相同。此時，隻要用其他方法測量出較近的這顆造父變星的距離，就可以由此知道周光關繫的參數，進而測量出遙遠天體的距離。而以後在測量不知距離的星團、星繫時，隻要能觀測到其中的造父變星，就可以利用周光關繫將星團、星繫的距離確定出來。具體來說，假設有兩顆周期相同、在地球上看起來亮度不同的造父變星，而且我們到看起來比較明亮的造父變星的距離是已知的。那麼由於周期相同，兩個變星的本來亮度就相同，如果較暗的變星的亮度是較亮的亮度的1/100，就可以得出較暗的變星的距離是到較亮的變星距離的10倍。

目前，造父變星通常分為幾個子類，表現出截然不同的質量、年齡和演化歷史，即經典造父變星、第二型造父變星、異常造父變星和矮造父變星。經典造父變星，也稱型造父變星或仙王座δ型變星，以幾天至數個月的周期非常有規律地脈動，常被用來測量本星繫群內和河外星繫的距離。著名的北極星就是一顆經典造父變星，光變周期約為4天，亮度變化幅度約為0.1個星等。

由於造父變星本身亮度巨大，用它來測量遙遠天體的距離非常方便。而除了造父變星，其他的測量遙遠天體的方法還有利用天琴座RR型變星以及新星等方法。不過，天琴座亮度遠小於造父變星，測量範圍比造父變星還小得多，精確性也不如造父變星，因此比較少用。

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