你相信吗？宇宙有可能是一个大脑（上）
本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统讲物理学系统本身，这里是第九季第4篇
--本文较长，预计阅读9min--
Hello，大家好，这里是Masir的物理学第九季专栏，本篇我们来谈一个关于宇宙学的脑洞。
你有没有想过我们所生活的宇宙有可能是一个大脑🧠！或者你相信吗？
这次我们打开脑洞来聊聊这个话题，宇宙学~
我记得以前见过一张图（下篇会提到），说是人的大脑神经网络和宇宙的星系之间的脉络非常相似，甚至很多学派认为宇宙其实就是一个人的大脑，也可以成为上帝的brain。
而当时我的态度只是怀疑，也是不是不信，因为站在人类认知才起步的阶段，你无法去预测几百年甚至几千年之后的是不是真的被证明。
不过最近有一个发现，我觉得你也有必要了解下，这也是今年我在万sir的精英日课所了解到的。
前提是，这只是一个猜想🤔，或是一场思想旅行。
而天文学家发现了一些很重要的事实，让这个猜想显得特别有意思——我们只需要保持开放即可。
在此之前，为了深入理解，我们本节还是需要打点基础，先来了解一下宇宙的结构。
1
宇宙的结构
对我们现在来说，地球之外是太阳系，太阳系之外是银河系，然后河外星系，甚至是外星系...
虽然这只是个常识，但是这个知识直到100年前，天文学家才确定太阳系之上还有一个更大的结构是银河系，60年前才确定银河系是旋涡状的，而且直到现在我们也不清楚银河系到底应该是什么样子的。我们现在看到的所有银河系的图片，都还只是天文学家的猜测而已。
一般情况，某个天体或是天文学系统，距离我们越近，我们就能研究得越清楚。但是银河系例外，因为我们就在银河系里面。不识庐山真面目，只缘身在此山中。
（地球上看银河系的样子）
我们先来看看，我们在地球上看到的银河系是什么样子的。我在文稿里面提供了一张站在地球上看银河的照片。银河就是银河系里主要恒星聚集的地方。
银河之所以叫银河，就是在夜空中有那么一条带状区域非常亮，聚集了很多星星，就像是夜空中的河流一样。银河是我们国家的说法了，在西方国家，银河叫做Milky Way，就是一条道路上洒满了牛奶的意思。
不论是河流，还是道路，其实都是一样的，都是说看起来像一条带子。你能靠这个照片还原出银河系真实的样子吗？
不行吧，别说你了，就是天文学家也不行。
（弗里德里希·威廉·赫谢尔爵士，图片来自维基百科）
第一个尝试对银河系结构作出描述的是赫歇尔，就是那个18世纪发现天王星的天文学家。他能发现天王星，是因为他的望远镜是当时最强大的。既然有了这么一个有力工具，他肯定不满足于发现天王星。所以，他就想着是不是可以做些更宏大的事情，那就是把银河系的样子描绘出来。
他的做法呢，就是用自己的望远镜🔭把全天的恒星数一遍，不光数，还会去估计恒星的距离。这样，就可以把恒星和太阳的相对位置画出来了。如果测得够精确的话，银河系的样子就可以画出来了。
于是他就按照这个想法，做了1000多次观测，一共观测了11.8万颗恒星。但是最后画出来的银河系是什么样子呢？根本没有一点旋涡的样子，看起来就像是一个没有裁剪过的羊皮。
赫歇尔可是当时最有名的天文学家了，用的还是当时最先进的望远镜，仍然只能得到这样一个结果。而且在后来的100年内，没有人对银河系的了解可以超过赫歇尔。
所以你应该了解了，如果只从地球一个视角出发，还原出银河系的样子，那真的是非常困难的。如果想要真的解决这个问题，必须寻找一个外部视角才行。可是怎么才能找到外部视角呢？这就又要用到宇宙学原理了，不过这次却是反过来用了。
一般天文学利用宇宙学原理，都是把身边发现的规律推广到宇宙的更远处。而对于银河系，则是通过观察远处的其他星系，把从它们身上观察到的特征反过来用在银河系上。这样即便是我们没有离开过银河系，仍然可以用外部视角来研究银河系到底是什么样子的。
其实在赫歇尔之前，就已经有天文学家发现夜空中除了恒星之外，还有一些天体像一团一团的云雾。天文学家专门给这些天体起了名字，叫做星云。现在我们知道，它们有一部分是银河系内部的气体云，有一部分真的是遥远处的星系。
（仙女座星云，图片来自维基百科）
但是当时并不清楚星云的距离，所以也不知道这些星云到底是在银河系内部，还是在银河系外部。
不过已经有天文学家开始猜想了，这些星云其实就是更远处的星系。其中最有名的应该是哲学家康德，他凭借着直觉相信仙女座星云，这种有旋涡结构的星云应该就是一个河外星系，河外就是银河系之外的意思，甚至还在这个基础上猜想我们的银河系也是旋涡状的。
不过，康德的想法没有任何观测支持，只算是一个猜想。真正让人们接受这个观点，还要等将近200年。
到了1923年，天文学家哈勃用更大口径的望远镜去看仙女座星云，发现它不只是一团云雾，而且是有更精细的恒星结构。
后来还在仙女座星云里面发现了造父变星，造父是我国古代神话里的一个人物。造父变星是一种标准烛光，通过它就可以测量出仙女座星云的距离，至少有100万光年。
通过这个距离一计算，就发现了仙女座星云的大小，应该和当时已知的银河系是差不多的，这不可能是在银河系内部的结构。所以从此开始，仙女座星云改名了，叫做仙女座星系。并且，这也让天文学家第一次开始认真思考，也许银河系真的和仙女座星系一样，有一个旋涡状的结构。
有了这个外部视角之后，再去看地球视角下的银河，有的现象就能得到很好的解释。比如说，虽然天空中的银河是一条亮带，但是通过望远镜观察的话，就能发现这条亮带上物质的密度是不一样的。在靠近人马座附近的银河的密度会比其他地方大很多。这在之前很难解释。
现在有了外部视角，就很容易理解了。我们看到了仙女座星系不只是呈现旋涡状，看起来还像是一个飞碟🛸，中间厚四周薄，中心物质密度大，四周密度小。所以，银河应该也一样，密度最大的地方，很可能就是星系的中心。
按照这个思路，就可以找到银河系的中心，也就是银心具体在什么地方。
（人马座和银河）
经过观测和计算发现，银河系的中心，也就是银心大概是在人马座的旁边。然后还有天文学家进行了计算，想看看太阳距离银河系的中心，也就是银心有多远。现在我们知道太阳距离银心大概有2.5万光年，银河系的半径大概是5万光年左右。我们其实是在银河系比较偏远的位置上。
当时计算的数值没有那么精确，不过也可以非常确定太阳是在银河系的一个角落里，距离中心很远很远。其实这也算是哥白尼日心说的再一次升级，地球不是太阳系的中心，太阳系也不是银河系的中心。
银河系的大体轮廓知道了，银心也知道了，真实样貌的还原应该要容易很多了吧，并没有。因为银河系中有大量的星际气体和尘埃，它们是会遮挡住恒星的光芒的。遮挡住之后，对亮度观测和距离的计算就会不准，而且是物质密度越大的部分越是这样。
你可以随便看一张夜空中银河的照片，你就会发现，银河这条星带的中间应该是密度更大、恒星更多，但是偏偏越靠近中间越黑。这就是因为这部分星际气体或尘埃太多，挡住了恒星的光芒。所以，本来恒星越多，越是应该有更多观察数据的地方，偏偏观察数据并不多。
要解决这个问题，还要等一项技术突破，那就是射电望远镜的发明。其实射电望远镜就是我们平时见到的雷达。
在1932年，一位美国的无线电工程师央斯基在调试自己的无线电雷达的时候，接收到了一个奇怪的信号。这个信号传递的方向上没有发现任何的信号源，而且总是指向人马座方向。
后来确定了，这就是来自银河系中心的无线电信号。
2
银河系的结构
往期推荐