一、什麼是宇宙的層級

四方上下曰宇，往古來今曰宙。宇宙說的是時空。層級指的是不同大小的結構。比如，地球上有各大洲，不同的大洲上面有高原、平原、山地、丘陵等不同大小的結構。宇宙裡面也有這樣不同的結構。

我們要講的概念是可觀測宇宙。對於時空，我們產生了很多認識。比如，不同的宇宙模型裡，宇宙可以是有限大小的、無限大小的，甚至有多重宇宙、平行宇宙。但是我們要講的是一個非常具體的、可以觀測的概念，即可觀測宇宙，也就是我們能看到的那部分宇宙。

為什麼會有可觀測宇宙的概念？實際上，我們沒有辦法觀測到整個宇宙。原因在於，在標準宇宙學的認識裡，宇宙的年齡是有限的。宇宙是從一個起點開始不斷演化、膨脹，到了今天的狀態。如果宇宙的年齡是有限的，那麼，我們能觀測到的宇宙也是有限的。因為光速是有限的。

從宇宙誕生到現在，我們認為經歷了137億年。不管宇宙的年齡有多長，只要是一個有限的數字，那麼我們所看到的這部分可觀測宇宙就是有限的。

真空中的光速，大概是30萬km/s。一個簡單的想法是，用宇宙的年齡乘以光速，大概就能知道可觀測宇宙的大小。但實際上，面對一個正在膨脹的宇宙，這樣簡單的計算，量級上是沒問題的，但是精確的數字會差一點。

可觀測宇宙的半徑約為465億光年。對於靜態宇宙，即假如宇宙從開始到現在沒有發生任何變化，那麼，用光速乘以經歷的時間，確實可以知道可觀測宇宙的大小。但是問題就在於，宇宙在不斷膨脹，直接用光速乘以宇宙年齡，算出來會不準確。

另外，光年是一個距離單位，即光在一年的時間裡，走了多少距離。在已知光速和一年的長度時，可以很容易地算出一個光年。但是人類對於這麼大的數字其實沒有什麼概念，即使我告訴大家可觀測宇宙的半徑是400多億光年，這個數字對於我來說其實也沒有特別明確的概念。所以我們需要講一講宇宙的層級，給大家一個大致的概念。

二、認識地月系和太陽系

我們可觀測的宇宙實際上只是整個宇宙的一小部分，這可能會令大家多少有點失望。雖然我們的觀測能力也有限，但這主要是受物理限制的。即便如此，我們可觀測的這部分宇宙其實已經非常大了。

接下來就從我們所在的地球，腳踏實地講起。地球是一個接近於球形的天體，赤道半徑是6378公里，極半徑稍微短一點，是6357公里。現在普遍認為，這是由於地球自轉造成的，即地球自轉產生的離心力導致一定的形變。

總體而言，地球，顧名思義，是一個半徑接近6400公里的球。因為我們在地球上，可以比較方便地採用大地測量的方法，從而不僅可以知道地球是一個球，而且可以準確測量其半徑。舉一個生活中的現象，在海邊觀察那些進出港口的船隻時，可以發現從遠處來到港口的船，是先看到其頂部而後看到船身；從港口離開的船，也是先看不到船身再看不到船頂的。這個現象也可證明地球表面不是平的，而是有弧度的。

我們往外看，地球有一個衛星——月球。多數情況下，我們都可以在晚上看到月球。但是月球有多大呢？月球的半徑是1738公里。剛才我們提到地球的半徑是近6400公里，按比例，月球應為地球的1/3，而往往拍攝的圖片上月球並沒有很小。原因出在地球和月球之間的距離上。當拍攝圖片的探測器離月球較近時，月球就會看上去“大”了一點點。

我們經常會把地球和月球放在一張圖上，並畫一條線指明中間的距離是38萬千米。但是這種圖是不成比例的，如果按比例畫，地球和月球都會變成非常小的兩個點，這樣就不方便我們觀察了。所以，通常情況下，我們都會把地球和月球畫大。但其實和它們的大小比起來，它們之間的距離非常遠。

那麼，地球和月球的距離，我們是怎麼測出來的呢？現在可以很方便地採用鐳射測距的方法。登月時將鐳射照到提前在地球上佈置好的反射鏡上再反射回來，根據光的發出和返回時間就可以測出地球和月球之間比較精確的距離。

知道了距離有什麼好處呢？知道了距離就可以很方便地測出月球的大小，這樣就不需要到月球表面採用大地測量的方法了。這是天文學研究中經常使用的辦法。把距離測出來以後就可以知道天體的很多資訊，比如天體的大小。原因在於，我們看一個天上的東西，或者一個遠處的東西，很方便測出來的是它的角度。我們看到的所謂的遠處事物的大小，實際上都是它的角直徑或者角尺度。而只有測出距離才能將角尺度轉化成線尺度。所以，測量距離非常重要。

很多同學可能都知道日食，日食就是月亮把太陽擋住了，其中日全食就是月球幾乎把太陽全都擋住了。從這個事實出發，可以想到一個什麼事呢？比如，我們可以提的一個問題就是，難道月球和太陽是一樣大的嗎？如果不一樣大，為什麼月球可以把太陽擋住呢？

首先，從某種層面上來說，月球和太陽看起來是一樣大的，這個沒有問題。因為月球看起來是30個角分左右，太陽看起來也是差不多的角尺度。但是，從另一方面來說，即線尺度層面看，月球真實的大小和太陽真實的大小，是不是一樣大呢？顯然不一樣大，太陽會大很多。

其次，雖然不一樣大但是可以擋住太陽的原因在於距離。無論是從畫畫中，還是從日常生活中，我們都可以得到的一個經驗是近大遠小。一個東西，放到近處，看起來很大，放到遠處，看起來就小了。這個“大”和“小”指的是什麼呢？指的其實就是角尺度。比如，我的手離眼睛越近，看起來張角越大，離眼睛越遠，張角就越小。所以，這個地方的大小指的是角尺度，而不是真實尺度。

那麼，回到剛才說的日食，月球的大小和太陽的大小指的是角尺度。在天文學中，真實尺度與距離可以相互推算。如果知道一個物體的真實大小，並可以將其放到不同遠近的位置，測量出角尺度，便可以得出距離。同理，當已知一個天體的大小及其角尺度，便可得出我們與其的距離。這是天文學中另一種測距的方法。不過這種方法會受到很多限制，因為通常情況下我們不會先知道某個天體的真實大小。但是在某些特殊情況下，如果知道了某個天體的大小，就可以倒過來推出距離。