第1章 宇宙（1）

宇宙是广袤空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。《淮南子·原道训》注：“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地。”即宇宙是天地万物的总称。“宇”是空间的概念，是无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。宇宙是无限的空间和无限的时间的统一。宇宙的统一性在于它的物质性，即任何宇宙空间无一不是物质的或由物质构成的，宇宙中物质的存在形式具有多样性，一部分物质以电磁波、星际物质（气体、尘埃）等形式呈连续状态弥散在广漠的空间中，另一部分则积聚成团，表现为各种堆积形式的实体，如地球、月球、行星、恒星和星云等。所有的物质都在不停地运动、变化着。当代最大的光学望远镜已可观测到200亿光年的遥远目标，这就是现今人类所能观测到的宇宙部分，它只是无限宇宙的一个小小局部。随着科学技术的发展，人类对宇宙的认识范围将不断扩大。

天文单位

对于太阳系，天文学家就用地球与太阳之间的平均距离作为单位，之所以“平均”，是因为它们之间的距离时刻在变化。这个单位就叫“天文单位”，一个天文单位等于149597870千米。天文单位这把尺子主要用在太阳系内的天体，如木星距离太阳5.2个天文单位，天王星距离太阳19.3个天文单位，而今年刚刚从行星降格为矮行星的冥王星距离太阳约40个天文单位。

光年

对于恒星之间的距离，天文学家定义了一个长度单位，这就是“光年”，指光在真空中行走的距离，它是由时间和速度计算出来的，光行走一年的时间叫“一光年”。即光在一年之中“行走”的距离，所以“光年”不是时间单位。由于光在真空中的速度是恒定的，每秒30万千米，每分钟行驶1800万千米，每小时行驶108000万千米，每天行驶2592000万千米，每年行驶946080000万千米。所以一光年的距离大约是946080000万千米。目前所知的离太阳最近的恒星距太阳约4.2光年，最遥远的恒星距太阳超过100亿光年。

黑洞

在宇宙中有那么一些“点”，它们的体积趋向于零而密度无穷大。由于吸引力非常强大，所以物体只要进入离这个点一定距离的范围内，就会被这个强大的引力吸收掉，连光线也不例外。任何物体进入这个范围都没有办法再逃出来，就是说，在这个范围内，任何信号都没有办法传出，因此，这个范围的界被称做视界，人类无法看到里面的情形。所以科学家称之为黑洞。

一颗燃烧尽了的恒星由于自身的重力而不断坍缩，最后就会形成黑洞。与别的天体相比，黑洞显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。

天球

广袤无垠的天空，看起来像一个庞大的圆球，全部日月星辰好像都分布在这个球面上。天文学上就将以地球为中心，以无限大为半径，内表面分布着各种各样天体的球面称为天球。

把地球自转轴延伸到天球上的位置，就是天球的北极和南极。把地球的赤道延伸到天球上的位置，就是天球赤道。北极星非常接近天球北极，看来好像永远静止在那里，居住在北半球的人便可以利用北极星来辨别方向。北极星相对于地面的高度取决于观测者所在地的纬度：在赤道的地方，北极星刚好躺在水平线上；在北极，北极星会在头顶（天顶）。天文学家也给天球划分了经纬度，称赤经和赤纬。

总星系

总星系是指用现有的观测手段和方法所能观测和探测到的全部宇宙空间范围。也有人认为，总星系是一个比星系更高一级的天体层次，它的尺度可能小于、等于或大于观测所及的宇宙部分。现在认为，总星系的半径约为200亿光年，年龄为200亿年，所包含的星系在10亿个以上。从目前的认识水平来看，包括这些星系在内的总星系物质，在运动和分布上是均匀的，也不存在任何特殊的方向和位置。也就是说，既没有发现总星系的核心和边缘，也没有发现运动的特殊趋向。总星系物质含量最多的是氢，其次是氦。从1914年以来，发现星系谱线有系统红移。如果把它解释为天体退行的结果，那就表示总星系在均匀地膨胀着。总星系的结构和演化，是宇宙学研究的重要对象。

河外星系

在天空中有一种天体，用小型望远镜看，它几乎和银河系的星云差不多，不能分辨。如果用大望远镜看，就会发现，它们不是弥漫的气体和尘埃，而是由可以分辨的一颗颗恒星组成的，形状也像一个旋涡。它们是与银河系类似的天体系统，距离都超出了银河系的范围，因此称它们为河外星系，简称星系。

星系质量一般在太阳质量的100万至10000亿倍之间。椭圆星系的质量差异很大，大小质量差竟达1亿倍。相比之下，旋涡星系质量居中，不规则星系一般较小。星系内的恒星在运动，星系本身也有自转，星系整体在空间同样运动。星系在宇宙空间的总体分布是各个方向都一样，近于均匀。但是从小尺度看，星系的分布又是不均匀的，与恒星的分布一样，有成团集聚的倾向。

目前已发现大约10亿个河外星系。银河系也只是一个普通的星系。人们估计河外星系的总数在千亿个以上，它们如同辽阔海洋中星罗棋布的岛屿，故也被称为“宇宙岛”。最著名的河外星系有：仙女座河外星系、猎户座河外星系、大麦哲伦星系、小麦哲伦星系和室女座河外星系等。

银河系

银河系是地球和太阳所在的普通的恒星系统，由大约1400亿颗恒星和大量星际物质组成，因其投影在天球上的乳白亮带——银河而得名。银河系侧看像一个中心略鼓的大圆盘，整个圆盘的直径约为10万光年，中心部分为一大质量的核，称银核，直径约1万多光年；银核外侧称为银盘，银盘的中心平面称为银道面。大银盘上分布着呈旋涡状的恒星、星团和星云。太阳位于银道面内，距离银河系中心约3万光年。鼓起处为银心，是恒星密集区，故望去白茫茫一片。银河系俯视像一个巨大的旋涡，这个旋涡由四个旋臂组成。太阳系位于其中一个旋臂（猎户座臂），逆时针旋转（太阳绕银心旋转一周需要2.5亿年）。银河系的所有天体顺着银道面绕核心飞快地进行旋转运动，这种运动称做银河系自转。按大爆炸宇宙学假说，银河系是由大约150亿年前的大爆炸出现的引力不稳定而逐步形成的。

星座

星座是指天上一群群的恒星组合。在三维的宇宙中，这些恒星其实相互间没有实际的关系，不过其在天球这一个球壳面上的位置相近。自古以来，人对于恒星的排列和形状很感兴趣，并很自然地把一些位置相近的星联系起来，组成星座。

人类肉眼可见的恒星有6000多颗，每颗均可归入唯一一个星座。每一个星座可以由其中亮星构成的形状辨认出来。为了方便研究，人们把星空分成若干个区域，这些区域称为星座。我国很早就把天空分为三垣二十八宿。《史记·天官书》记载颇详。三垣是北天极周围的3个区域，即紫微垣、太微垣、天市垣。二十八宿是在黄道和天赤道附近的28个区域。

1922年，国际天文学联合会大会决定将天空划分为88个星座，其名称基本依照历史上的名称。1928年，国际天文学联合会正式公布了88个星座的名称。这88个星座分成3个天区，南半球47个，北半球29个，天赤道与黄道附近12个。

恒星

恒星是由炽热气体组成的，能自己发光、发热的球状或类球状天体。距地球最近的恒星是太阳，它的光到达地球需要八分多钟的时间。其次是处于人马座的比邻星，它发出的光到达地球需要4.22年。恒星的直径有的小到几千米，有的大到109千米以上。大多数恒星的质量在0.1至10个太阳质量之间。正常恒星的大气化学组成与太阳大气差不多，以氢、氦为主。恒星之所以能发光发热，是由于它的内部温度高达几百万度乃至数亿度，在那里进行着不同的反应（一般为热核反应），并向外辐射大量的能量和抛射物质。一般认为恒星是由星云凝缩而成的。

恒星并非不动，只是因为距离我们实在太远，不借助于特殊工具和方法，很难发现它们在天上的位置变化，因此古代人把它们认为是固定不动的星体，叫做恒星。我们在夜空所看到的点点繁星，大多是恒星，肉眼可看到的恒星，全天有6000多颗。借助望远镜目前可看到几十万乃至几百万颗以上的恒星。

恒星也有自己的生命史，它们经历着诞生、成长到衰老，最终走向死亡。它们大小不同，色彩各异，演化的历程也不尽相同。恒星与生命的联系不仅表现在它提供了光和热。实际上构成行星和生命物质的重原子就是在某些恒星生命结束时发生的爆炸过程中创造出来的。

星云

恒星之间广阔无垠的空间也许是寂静的，但远不是真正的“真空”，而存在着各种各样的物质。这些物质包括星际气体、尘埃和粒子流等，人们把它们叫做星际物质。这些星际物质的分布也是不均匀的。在引力作用下，有的地方气体和尘埃比较密集，形成各种各样的云雾状的天体。这些云雾状的天体就叫星云。银河系中的星云物质就形态说，可以分为弥漫星云、行星状星云等几种。

弥漫星云正如它的名称一样，没有明显的边界，常常呈不规则形状。它们的直径在几十光年左右，密度平均为每立方厘米10至100个原子。它们主要分布在银道面附近。弥漫星云又分为亮星云和暗星云，亮星云又分为反向星云和发射星云。著名的猎户座大星云就是亮星云，猎户座马头星云是暗星云。

行星状星云的样子有点儿像吐的烟圈，中心是空的，而且往往有一颗很亮的恒星。恒星不断向外抛射物质，形成星云。可见，行星状星云是恒星晚年演化的结果。比较著名的有宝瓶座耳轮状星云和天琴座环状星云。

太阳系

太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的系统，它的最大范围约可延伸到1光年以外。太阳系是银河系一个极微小的部分，离银河系中心近3万光年，太阳带着整个太阳系绕银河系中心转动。可见，太阳系不在宇宙中心，也不在银河系中心。太阳是50亿年前由星际云瓦解后的一团小云坍缩而成的，它的寿命约为100亿年。太阳系的主要成员有：太阳（恒星）、八大行星（包括地球）、无数小行星、众多卫星（包括月亮），还有彗星、流星体以及大量尘埃物质和稀薄的气态物质。太阳是太阳系的核心，占整个太阳系质量的99.87%，其他天体的总和不到太阳的0.2%。太阳是中心天体，它的引力控制着整个太阳系，使其他天体绕太阳公转。太阳系中八大行星的顺序依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星，它们都在接近同一平面的近圆轨道上，朝同一方向绕太阳公转。

离太阳较近的水星、金星、地球及火星称为类地行星，它们的共同特征是密度大，体积小，自转慢，卫星少，主要由石质和铁质构成，具有固体外壳。离太阳较远的木星、土星、天王星、海王星称为类木行星，它们的共同特点是其主要由氢、氦、冰、甲烷、氨等构成，石质和铁质只占极小的比例，它们的质量和半径均远大于地球，但密度却较小。

多数行星的自转方向和公转方向相同，但金星则相反。除了水星和金星，其他行星都有卫星绕转，构成卫星系。在火星与木星之间有10万个以上的小行星（即由岩石组成的不规则的小星体）。在太阳系中，现已发现1600多颗彗星，还有数量众多的大小流星体，有些流星体是成群的，这些流星群是彗星瓦解的产物。大流星体降落到地面成为陨石。

太阳

在人类历史上，太阳一直是许多人顶礼膜拜的对象。中华民族的先民把自己的祖先炎帝尊为太阳神。而在古希腊神话中，太阳神则是宙斯（万神之王）的儿子。既然太阳这么伟大，那么，现在我们就来了解一下太阳吧。

太阳是银河系上千亿颗恒星中的一颗，直径139万千米，质量1.989×1030千克，包含全太阳系99.8%以上的质量。太阳距离地球约1.5亿千米，从地球到太阳上去步行要走3500多年，就是乘飞机，也要20多年。目前太阳的成分中，氢占约75%的质量，氦占约25%。太阳核心的温度高约1500万K、压力是2500亿大气压。太阳的能量输出功率为3.86×1023千瓦，巨大的能量来自于核心的核融合反应。太阳表面称为光球，温度约为6000K，黑子则为较低温的区域，约4000K，光球之上是色球，色球之上的高温区域则是日冕，它向太空延伸数百万千米，其温度超过100万K。太阳有非常强大的磁场，它的磁层称为太阳风层。太阳表面还有巨大的日珥，它也是太阳表面磁场剧烈活动的产物。太阳大概已有50亿年的历史，大概还有50亿年的寿命。

对于人类来说，太阳毫无疑问是宇宙中最重要的天体。世间万物生长离不开太阳，试想：要是没有太阳的话，地球会是什么样子？很显然，如果没有太阳，地球上就不可能有姿态万千的生命现象，当然也不会孕育出作为智能生物的人类。太阳给人们以光明和温暖，为地球生命提供了各种形式的能源。