宇宙在膨胀吗?

2017-03-09作者:康斯特, 著编辑:谢爽

过去,科学家们认为宇宙的范围是固定的,但是随着研究的深入,人们意外发现宇宙是向外膨胀的,并且膨胀的速度越来越快。发现宇宙膨胀这一现象的科学家因此获得了诺贝尔物理学奖。那么,这是宇宙和我们开的一个玩笑,还是说明宇宙真的在走向膨胀而炸裂的过程?


一些科学家提出的宇宙膨胀说认为,可以把整个宇宙想象成一个正在越吹越大的气球,星系是气球表面的点,我们的银河系也处于这样的点上。同时我们假设星系无法离开气球表面,只能在表面上运动。如果宇宙是处于膨胀之中的,也就是气球表面不断向外扩张,那么球上的点就会离得越来越远,从其中的一个点观察,将会发现所有其他的点都在离自己远去,并且距离越远离开的速度就越快。用吹气球这个例子,能够形象生动地对宇宙膨胀理论进行解释。除了这种观点,是否还有其他理论能够解释星系之间的距离越来越远这样的现象呢?宇宙真的如气球一样向外膨胀吗?这是宇宙的运动还是神的旨意?



我们目前可以观察到的宇宙,以现在普遍接受的理论来说,是从137亿年前的一次大爆炸中诞生的。宇宙大爆炸理论认为,在宇宙诞生之前,存在一个具有极大的密度和质量的奇点,这个奇点在时间的起点处发生爆炸,向四周射出能量,能量凝结成物质,经过137亿年的发展,形成了如今的宇宙。


100年前的科学家们认为,宇宙就是人类目力所及的众多天体形成的巨大星盘。当时的观点认为,这个宇宙具有固定的形状和大小,是亘古不变的。但是,爱因斯坦对这一理论提出了质疑。他的主要研究方向是引力对宇宙中的天体系统存在的影响,所以他一直在思考的一个问题:天体之间存在引力,而宇宙并没有因为引力而缩成一团,这是为什么呢?因此他大胆提出假设,宇宙中存在一种斥力,这种斥力能够对抗天体间的引力,并与之达到平衡,使宇宙不至于坍塌。爱因斯坦提出了爱因斯坦方程式,将这种斥力以“宇宙常数”之名代入了方程式中。



1916年,荷兰物理学家威廉·德西特求出了爱因斯坦方程式的一个解,这进一步支持了宇宙是固定不变的这一观点。之后,美国科学家维斯托·斯莱福在对遥远的星系进行观测时,发现它们发出的光存在偏移现象。如果一个天体与地球的距离越来越近,那么它发出的光的波长会被压缩,因此会向光谱上蓝的区域移动,简称蓝移。与之相对的,如果与地球的距离越来越远,光的波长则会变长,因此会向光谱上的红色区域移动,简称红移。斯莱福通过对15个星系的观测,发现了其中有12个星系的光谱发生红移,这就意味着它们正在远离地球。


比利时天文学家乔治·勒梅特于1927年提出了一个更加形象的说法,他认为,宇宙本来就像是一个宇宙蛋,这个宇宙蛋发生了爆炸,产生了如今正在向外膨胀的宇宙。对宇宙做出这样的解释也难以令人信服。就像《宇宙指南》这本书里所说的,如果我们能够来到宇宙发生大爆炸的那一刻,假设如今的宇宙中的所有物质能在这个极其致密的小球上,而且这个小球的温度很高,最后发生了爆炸,形成了宇宙。



1929年,美国科学家埃德温·哈勃对天体红移现象展开了深入研究。他使用大型天文望远镜对这12个星系进行更为细致的观测,想要从中找到造父变星。这种星体发光具有周期性,通过这一特性能够知道它们的内秉亮度。得出了这些造父变星的亮度,就能知道它们所在星系与地球之间的距离。通过计算,哈勃发现,离地球距离越远的星系远离地球的速度就越快,这就是著名的哈勃定律。这个发现证明宇宙之间的天体是彼此远离的,也就是说,宇宙是向外膨胀的。这也推翻了之前的假设,说明宇宙并非固定不变的。爱因斯坦肯定了哈勃的研究成果,并承认自己提出的宇宙常数是不成熟的,是一个巨大的失误。天文学界也因为这一发现开始了一场革命。虽然爱因斯坦认为宇宙常数是失败的理论,但是现在,这个常数再次被提了出来。宇宙之所以会向外膨胀,其原动力来自于宇宙诞生时发生的大爆炸。宇宙虽然是膨胀的,但是其中的宇宙物质仍然通过引力连接在一起,并且从中诞生了恒星和星系。引力是和质量相关的,那么如果宇宙中的物质足够多,产生的引力足够大,是否能使宇宙停止膨胀,甚至重新坍缩,又成了另一个值得思考的问题。为了解决这个问题,科学家们在哈勃定律的基础上进行了更为深入的研究,想要精确计算宇宙膨胀的速率。随着科学技术的发展,人们现在已经能够对更为遥远的宇宙空间进行更为精准的测量。



那么,哈勃是如何观测到宇宙膨胀的呢?首先,他对几十个星系进行了观测,发现这些星系都是朝着彼此越来越远的方向运动。他在坐标图上画出这些星系的运动情况,发现距离我们越远的星系,退行的速度也就越快,而且距离与退行速度刚好成正比例的线性关系。他把这一规律总结为公式r=v/H,也就是著名的哈勃定律,也叫哈勃关系。


哈勃定律公式可以变形为r/v=1/H,如果把退行速度换成最快的光速,也就是c,那么就可以得到r/v=r/c=1/H, r/c表示的是宇宙边缘与我们之间的距离,除以宇宙边缘膨胀速度的极限,也就是光速,那么1/H得出的数据就是宇宙的年龄。因此,只需要测量出哈勃常数H的数值,便可计算出宇宙的年龄。目前根据这个公式计算出的宇宙年龄是137亿年。



如果按照宇宙大爆炸理论,宇宙正在向外加速膨胀,各种星系和天体之间的距离也越来越大。宇宙的密度将会变得越来越小,星系物质越来越稀疏。但最后,宇宙将会变得空空荡荡,变成接近真空的状态。这时出现了另外一种理论,该理论认为,当宇宙膨胀到足够大的时候,就出现很多新的物质来补充星系之间出现的虚无的空间,来维持宇宙本来应该具有的密度。根据这种理论甚至可以计算出这些新物质生成的速度,简直和上帝变魔术一样。


内容来源:书问

书名 宇宙简史
作者康斯特, 著
出版中国友谊出版公司
定价39.8元
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