大概二十年前，全国都在推广素质教育，我所在的初中名字里带个实验，所以就在暑假安排些免费的兴趣班来培养下这伙娇生惯养85后半大小子/小姐们的素质。当时我报名了一个科技创新的小组，负责人是劳动技术课老师，她花了好几天时间教我们在劳技教室的车床上做木工跟电工活，之后带到化学课实验台做肥皂，等我们新鲜劲过去就又拉到多媒体教室看如何做农活还有些科普相关的纪录片，之后又教了几天如何打毛衣，最后拿了一本书跟我们讲如何野外生存。这些东西跟科技创新啥关系我是没搞清楚，但她对啥感兴趣我算是知道了，这些手艺活经历也确实让暑假不那么无聊。不过时至今日，我对野外生存那部分的一个片段还是很感兴趣，那就是用帽子估计距离。

这个测量方法其实就是利用待测量点、站立点与帽檐三点构成一个三角形，通过弯曲帽檐使视线、帽檐与待测量点放到一条线上，此时摁着帽檐原地转一下就相当于把待测量点与站立点的距离换一个方向，例如换到公路方向，因为路灯间距是固定的，这样就可以估计出一个直接测量不方便的距离。

我马上就想到是不是也可以这样进行天文测距？当然不行，因为天文距离虽然是直线，但地表的公路却因为地球是圆的而没法进行替代测量。那么问题来了，天文学家究竟是如何知道天上的星星与我们的距离呢？在互联网不发达的年代，这种问题确实不好找答案，不过就算发达了，现在去找也不容易，真到测量层面，网上的资料差不多都是复读机水平。

其实天文测距与分子结构鉴定存在一个共同点，那就是都需要按尺度来。分子量低于1000Da可以考虑质谱，大到蛋白质那个水平现在更多是用冷镜或光源解析。在天文测距上也得从近到远来，近了我们直接尺子量，但天文最小距离地月距离你是没法拉尺子的。当然现在很多人说直接用激光测量反射光，那也得是美国人在上面放了镜子之后才变得容易些。

之前要测，既没有汇聚程度这么高的激光，可能还不知道光速恒定，不过这件事在万有引力定律出现后就不是啥难事了，万有引力等于向心力，如果你知道地球质量、万有引力常数与公转周期就算出来了。不过问题来了，地球质量咋来的？历史上测地球质量的等卡文迪许实验测出万有引力常数才行，而且还需要地球半径，这个简单，古希腊就有人通过三角函数测出了地球半径。不过比卡文迪许更早前还有个榭赫伦实验用来估计地球密度。

不过这里有个鸡生蛋蛋生鸡的问题，我们现在来看应该是用万有引力常数去测地月距离，但历史上却是先测到了地月距离拿来测地球密度。那么没有万有引力定律咋测地月距离？说来有意思，还是古希腊人最早测出了地月距离，用的方法就是视差法。其实视差很好理解，就是你在两个不同的点看同一个点，其远方背景点会有差异，我们双目就有视差，这样也能看出来立体感。这样我找两拨人在两个地方看月亮并记录星图，通过比对星图可以计算角度差，两人之间的距离需要事先知道，这样就可以通过三角函数计算出月地距离。2007年就有人这么做过，2014年还有阿利斯塔克运动通过利用月球错觉来测量距离，这个方法可能是最简单的，也是用数码相机就能做到。

地月距离在古希腊也可以用日食或月食来测。两个地方同时看到日食会有微小差异，一个地方完全覆盖时另一个地方可能差一点点，这就是视差，加上两个地方距离就可以估计出来。当然月食可能容易一点，因为月食视差要明显一点。当然你知道了地球半径，通过观察峨眉月并假定太阳离地球远大于地月距离可计算出地球半径与月球半径的比例，然后也就知道了月球半径，知道了月球半径，通过观察一次月食记录下时间就知道观察角度变化，然后就能用视差推理出地月距离。不过古希腊人的观测水平只能给出月地距离与日地距离的比值，真正测到绝对值已经是17世纪末测水星与金星凌日时才搞定，方法也是视差，已知两地距离然后观察出视差角度，三角函数做个换算就行。当然古希腊人测日地距离通过弦月那个直角三角形也能估计出来，就是太阳视差不好观测罢了。

有了日地距离，就有了常说的天文单位。在太阳系内行星用开普勒三定律通过公转周期可以算出距离。出了太阳系测距离原理还是视差，我们选一年内任意差半年的两天去观察某个恒星及其周围的星图，这样通过认为周围星图相对恒定就可以得到该恒星视差，配合日地距离就可以计算出距离该恒星的距离。不过视差的两个基本量，也就是两地距离跟角度都不能无限扩大，两地距离用到一个天文单位就已经够大了，但距离远了视差可能非常小，一般而言，视差就能测到300光年的距离。

那么超过300光年咋办，这就要用到光谱了。首先要做的就是把300光年内的恒星离我们的绝对距离都用视差测一遍，同时我们也会观测其光谱与绝对亮度并用来分类恒星，把这个关系画成图就是赫罗图。这样我们看到一颗星，先通过光谱特性找到行星分类，然后就知道其绝对亮度，而我们观察到的亮度肯定是因为距离衰减降低了，这样利用衰减程度与距离关系就能算出距离。在这里测量上我们使用的其实是恒星演化的规律，要是恒星不按套路出牌，光谱乱了，那我们测到的就都不准了。这个方法能测到三万光年的距离，再远光谱就测不到了。

超过三万光年咋办，这就需要造父变星了。变星是亮度会变化的恒星，这种变化可能是周期性的也可能是超新星那样炸一次就逐渐暗淡的。对于周期性变化的变星，同一类的变星光度跟周期是有固定规律的，这样我们找到新一个周期性变星，通过周光关系就知道实际光度，然后根据实际光度就知道距离了。不过超过三万光年基本出了银河系了，所以此时测的其实是河外星系距离我们的距离。这个方法可以测到一千万光年的距离。其实此时测的是能看到亮度与周期的那部分恒星，如果有亮度没周期我们也不知道多远。

那么超出一千万光年咋办，这就要靠超新星了。银河系内超新星爆发是可以直接看到的，但远的地方观察上就会感觉突然在某个位置多了一颗星，此时我们根据观测假定所有超新星刚开始炸的亮度都一样，那么通过观察的亮度就可以反推出距离。到这里就可以测到三十亿光年了，再远就算爆发传过来星光也是太过暗淡了。

那么接下来就得靠理论了，也就是哈勃定律。这还是靠光谱，因为离我们越远红移越快，此时通过观察红移速度配合哈勃常数就能测出距离了，不过哈勃常数其实还是个经验值，但这样我们就通过红移速度测到了更远的天体。例如我们看到一颗恒星红移速度非常快，换算下可能会发现它竟然离我们四十亿光年。此时我们能测到光谱或亮度的星基本都测的差不多了。哈勃望远镜能看到大概一百亿光年之外，最近上天的韦布据说可以看到一百三十六亿光年，也会比哈勃更清晰。这里所谓的光，只能说电磁波了，因为也就机器能捕捉到，肉眼是别指望能看到了，很多深空照片其实是重构出来的。

根据宇宙大爆炸理论，我们宇宙年龄也就一百三十八亿年，大爆炸的光如果发出来大概我们也能看到。不过显然这里有问题，如果宇宙恒星随机分布，那么我们夜空应该是满满当当的被不同距离不同年龄的恒星照亮。现实中星空是相对稀疏的，这就是宇宙在膨胀的最原始的证据，而且宇宙的空间膨胀速度是超过光速的，甚至还在加速膨胀，这就导致有些空间上的恒星的光永远不可能被我们在这条时间轴上观测到，这就是所谓时间光锥的概念来源。也就是说，即使我们能看到宇宙起源时期的光，也是恰好那部分空间还没膨胀出我们的时间光锥。理论上我们也不大可能看到宇宙大爆炸之前的光，当然微波背景辐射这种超级红移还在。

不过除了视差法，后面那些光谱为基础的方法其实都是建立在时空互换的观测规律或纯理论上的，假如这个规律只是另一个更普通规律的一个特例，或者是理论虽然数理上行得通但物理上被另外的理论支配，那么严格说300光年之外的东西都算是幻象了。毕竟我们关于恒星的规律都是构建在银河系这五六万光年之内的，要是银河系恒星其实是个高等文明实验品，我们头顶星空的亮度与周期规律全是被设计好让我们以为测到了更远的距离，其实我们也没法去证伪，毕竟我们人造飞行器才刚刚飞出太阳系。

不过，我们今天抬头看向空中还能看到星光算是一种幸运。假如宇宙加速膨胀的理论就是真理，那么我们其实处于一种可以通过观测来了解宇宙的阶段。而如果我们是过个几十亿年后才发展出文明，那么彼时头顶将是一片暗淡，离我们最近的恒星都无法把光传过来，那个时候的文明将不会认为地球之外存在可探索的价值，甚至都不会有宇宙的概念，那种不知道自己孤独的文明可能连生存下去的动力都没有。

至少我们还有星光。