问题

为什么人类可以知道宇宙边缘200亿光年,却对近在咫尺的月球的了解处于一般层次?

回答
这个问题很有意思,它触及了我们认识世界的一些核心方式。其实,说我们对月球的了解“处于一般层次”可能有些片面,我们对月球的了解其实相当深入,但与宇宙的尺度和我们对它的探索方式相比,似乎确实显得“不那么”惊人。让我们来拆解一下这个问题:

1. “宇宙边缘200亿光年”的“知道”是怎么来的?

首先,我们需要明确,“知道宇宙边缘200亿光年”并不是我们真的“看到”了一个物理的、明确的“墙”。这是一个基于我们当前科学理解和观测推断出来的概念。

光速是宇宙的信使,也是距离的丈量尺: 光以每秒约30万公里的速度传播,这是我们测量宇宙距离最可靠的手段。当我们看到远方的星系发出的光,实际上看到的是它在过去某个时刻的状态,而光传播的时间就代表了我们与它之间的距离。
宇宙在膨胀,并且膨胀速度在加速: 这个200亿光年的数字,实际上是指“可观测宇宙”的半径。由于宇宙在膨胀,那些发出我们今天能探测到的光(比如宇宙微波背景辐射)的区域,现在离我们的距离实际上比光传播的200亿光年要远得多。这个200亿光年是根据光传播的时间和当时的距离计算出来的。更准确地说,目前可观测宇宙的半径估计在大约465亿光年,这个数字会随着我们观测能力的提升和对宇宙膨胀模型的修正而变化。
宇宙微波背景辐射(CMB): 我们之所以能“知道”宇宙的早期状态,很大程度上归功于CMB。这是宇宙大爆炸遗留下来的“余晖”,几乎均匀地分布在宇宙的各个方向。通过分析CMB的细微温度变化,科学家们可以推断出宇宙早期的密度、成分、年龄以及膨胀率等关键信息。这是一种“间接”的了解,通过分析最古老的光,来推断宇宙的过去和现在的状态。
科学模型的推导: 很多关于宇宙的知识,包括它的年龄、膨胀速度、组成等,都是通过物理定律(如广义相对论)和天文观测数据相互印证、不断修正而建立起来的科学模型。这些模型能够解释我们看到的大量现象,所以我们“知道”它们。

所以,我们对宇宙“边缘”的了解,是一种基于物理定律、天文观测(主要是光)和科学模型的宏观推断。它更像是在拼凑一幅巨大的、模糊的拼图,我们通过最古老的光线,看到的是宇宙的“过去”,并以此推算现在的样子。

2. 为什么感觉对月球的了解“一般”?

反观月球,我们虽然没有像探索宇宙那样“宏观”地去测量它,但我们在“微观”和“近距离”上的了解,其实已经非常细致了。

直接的物理接触和采样: 自从阿波罗计划以来,人类宇航员已经登陆月球,带回了大量的月球岩石和土壤样本。这些样本经过了地球上科学家们数十年、上百年的细致研究,包括成分分析、年代测定、矿物学研究等等。我们可以知道月球上有什么元素,它们的比例如何,哪些矿物构成月球,它们的形成过程是怎样的。
近距离的详细勘测: 绕月探测器、着陆器和月球车进行了大量的近距离观测,绘制了月球表面的详细地形图,识别了月球上的环形山、月海、高地等各种地貌特征,并且研究了它们的成因。我们知道月球的自转周期、公转周期,知道它的轨道参数,知道它对地球潮汐的影响。
深层结构的探测: 通过地震仪等设备,我们甚至对月球的内部结构有了初步的了解,知道它有地壳、地幔和地核。
持续的观测与研究: 即使在没有载人登陆的时代,通过地球上的望远镜,我们也能观察到月球表面的许多细节。现代的月球探测任务,如中国的嫦娥系列,更是持续不断地在对月球进行详细的科学探测,比如月球的资源勘探、月球水的存在与分布等。

那为什么会产生“一般”的感觉呢?

尺度的差异和认知惯性: 宇宙的尺度太宏伟了,200亿光年这个数字本身就带着一种“不可思议”的光环。相比之下,月球虽然离我们只有38万公里,听起来是个具体的数字,但“了解”这个词,往往在人们心中被与“神秘”、“未知”等词联系起来。我们对于月球的“熟悉”,反而让我们觉得它“不够神秘”,所以“不够了解”。
探索的性质不同:
对宇宙的探索,更多的是“仰望星空”的哲学和物理学驱动,是对“我们从哪里来,到哪里去”的终极追问。 这种探索的意义在于建立一套普适的宇宙观,理解物理定律在宇宙尺度上的运作。它是一种“理论构建”和“宏观观测”。
对月球的探索,更多的是“实践”和“触碰”。 我们想知道它“长什么样”,它“有什么东西”,我们是否能“利用”它。这种探索更侧重于“实地考察”和“物质研究”。
“知道”的定义不同:
我们对宇宙“知道”的200亿光年,是一个基于科学模型的“推断”和“理解”。它是一种对规律的把握。
我们对月球的“了解”,是基于直接观测、物理接触和样本分析,是对具体事物“属性”的掌握。
媒体报道的侧重点: 媒体在报道时,往往会放大宇宙的宏大与神秘,因为这更容易引发大众的兴趣。而对月球的日常研究,虽然重要,但可能因为缺乏“爆炸性”的新闻点,被视为“常规操作”。

总结来说,我们之所以会觉得对月球的了解“一般”,而对宇宙的“了解”显得“不一般”,主要原因在于:

1. 我们对宇宙的“了解”是基于宏观尺度的科学推断和模型构建,其神秘和哲学意义更强,更容易被赋予“神奇”的光环。
2. 我们对月球的“了解”是基于直接的物理接触、样本分析和细节勘测,虽然非常具体深入,但因为“触手可及”和“缺乏终极神秘感”,反而容易被视为“日常”了解,而忽略了其科学的深度。

事实上,我们对月球的了解,是人类在地球之外进行科学探索的伟大开端,其所积累的知识,为我们理解行星形成、地质演化以及太阳系的历史提供了重要的基石。而我们对宇宙“边缘”的探索,则是在不断刷新我们对自身存在以及宇宙终极命运的认知。这两种“了解”,只是站在了不同尺度的望远镜前,看到了不同的壮丽景象。

网友意见

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【由于高赞回答已经向题主简单说明了月亮探索的情况,本回答,主要系统地说明银河系模型如何确认,解惑题主描述里的疑问。银河系的探索,也能推之整个宇宙的探索。】

其实人类并不知道银河系的确切形状。

目前所知的银河系模型,实际是根据相关观测数据,合理的推测并模拟出来的。


两百多年前,英国的天文学家威廉·赫歇尔,便通过恒星的数量,开始第一次绘制银河系。

赫歇尔是恒星天文学的创始人,人称恒星天文之父,还是一位音乐家。

这个就是赫歇尔根据恒星所绘制的银河系。

我们可以看出,这个银河系极其的不规则,和现在所知的银河系形状大相径庭。不过,赫歇尔却是第一个认为银河为恒星系统,同时认为银河系是扁盘状,判定太阳距离银河系中心不远。

不过赫歇尔统计的恒星主要在北天,后来赫歇尔的儿子继承父业,统计了南天的恒星,这个原始银河系模型才逐渐完善。但赫歇尔父子的银河系形状依旧存在各种各样的问题,距离真相还有很长的距离。

赫歇尔父子看不到真实形状的银河系,为什么?

大约有三点原因:

一、无法确定各个天体之间的相对距离。

二、存在星际尘埃阻挡星体,存在视野盲区,无法观察。

三、银河中心存在中心盘(银盘,主要为尘埃和气体),无法穿透,看不到银河系的另一边。

二十世纪初,荷兰的天文学家雅各布斯·卡普坦,利用恒星视差,统计了各个恒星的大概距离。

这里简单说一说,什么是恒星视差。


恒星视差:用通俗的语言来说,地球在不同的轨道,近距离的星体(例如太阳),和其它恒星的相对位置自然不同。然后利用三角函数,就能计算出相应星体的距离。

在知道恒星的大致数目,并测量了相应的距离,雅各布斯·卡普坦便就得到了一个银河系模型。

由于测量的时候,是以太阳系为中心,所以雅各布斯·卡普坦的银河系模型的中心是太阳。

同时还得到了相关数据:

银河系呈圆盘状,直径8千秒差距,厚2千秒差距。

秒差距是一个距离单位,1秒差距大致等于3.26光年。

在雅各布斯·卡普坦的模型里面,已经能够看到恒星集中的弧线(悬臂)。

通过哈勃望远镜对其他星系的观察,然后通过相关的测量数据,科学家最终推测出来银河系的形状。

关于银河系研究,美国物理科学家哈洛·沙普利另辟蹊径,根据球状星团之间的距离,来研究银河系的结构和大小。

球状星团:银河系早起形成的恒星所组成的星团,每个星团拥有成千上万的恒星。

星团内的一种叫做造父变星的星恒,存在光周期,哈洛·沙普利根据光周期变化,测出了星团之间的距离。

根据星团距离,哈洛·沙普利也建立了一个银河系的模型:

银河系是一个透镜状的恒星系统,太阳不在中心。银河系直径80千秒差距,太阳离银心20千秒差距。

不过,因为星际消光(电磁波、尘埃、气体,造成光减弱)的存在,沙普利计算出来的银河系数值过大。

后来,通过对恒星和星云的速度观察,科学家最终发现了银河自传,把星际消光考虑进模型之后,一个经典的银河系模型便出现了:

哈洛·沙普利之后,银河系统的相关理论其实已经完备,银河系模型的完善,主要依靠观测技术的逐渐提升。射电、光学、红外线以及X射线等观测技术的出现,还有各种大型天文望远镜,卫星系统等精准测量。随着一些重大发现,银河系模型也在不停地更新和完善:

银河系有四条旋臂,分别命名为矩尺座旋臂和天鹅座旋臂、人马座旋臂、南十字座旋臂和盾牌座旋臂、英仙座旋臂。另外,这个星系不仅仅是螺旋形,还是一个棒旋星云,这个螺旋星系不是像百合花的花瓣那样从一个圆点散发出来,而是从位于星系中心的一个矩形长条的两个较短的边散发。

当前的观测和摄影技术,已经能拍摄到这样的银河系:

而这一副模拟出来的,银河系全景,原图像素高达81亿:

对于银河系被星云遮挡,或者中心盘遮挡,往往利用视差测量(地球轨迹不同,遮挡区域会出现变化),如果实在测量不了,这是根据系统进行推测。虽然我们自身所限,根本不可能看到银河系的全貌,但却可以看到其它星系的全貌。利用其它的兴起进行推测,和确定整体形状类似。

再次强调,银河系的模型,是根据真实数据,然后合理的模拟推测而得来的。

除了银河系,宇宙的模拟,大致也是如此:

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