怎么证明宇宙一直在膨胀(有什么证据说明宇宙正在膨胀)

怎么证明宇宙一直在膨胀(有什么证据说明宇宙正在膨胀)

天体物理学家曾经相信宇宙是静态的,只包含银河系,但后来的科学研究明确表明,事实并非如此。

不到一百年前,天文学家还认为银河系是宇宙中唯一的星系,望远镜捕捉到的模糊星云则都是银河系范围内的气体云。各种结果表明,宇宙是静态的,并没有随时间推移而变化。

一个例外是美国天文学家维斯托·斯里弗的发现。早在1912年,他就注意到仙女座星云正以每秒300公里的速度向太阳移动。为了确定这一点,他利用了多普勒效应,即由于波源(或观测者)的运动而引起的波动频率变化。在听到救护车或喇叭移向或远离我们的时候,我们都会感受到多普勒效应。如果移向我们,声波会被压缩,音调也会更高;如果远离我们,声波会被拉长,音调也会降低。光波也是如此。斯里弗推测,仙女座星云正在向我们移动,因为它的光移到了光谱的蓝端。

斯里弗是对的。我们现在知道,仙女座星系不仅在向我们移动,而且将在大约四五十亿年后与银河系碰撞——形成“银河仙女座”(Milkdromeda)星系。

到1917年,斯里弗测量了其他几个星云的径向速度(物体向观察者方向移动的速度分量),得出结论称,它们正在红移,即远离我们。在欧洲,几乎没有科学家听说过斯里弗的研究结果。即使在美国,他的观点也存在争议。1917年,爱因斯坦用全新的广义相对论提出了现代的第一个宇宙模型,他假设宇宙是静态的。

1920年的大辩论

1920年4月20日,在美国国家科学院的赞助下,威尔逊山天文台的哈洛·沙普利与匹兹堡阿勒格尼天文台的希伯·柯蒂斯展开了一场辩论,探讨星系的本质。星云究竟是不是银河系外的“岛屿宇宙”?银河系是不是唯一的星系,被浩瀚的真空所包围?这次辩论被称为“沙普利-柯蒂斯之争”,也被称为“世纪天文大辩论”(Great Debate)。这是一个有力的例子,说明了初步数据可以用各种不同的方式进行解释,而所有这些方式似乎都是合理的。另一方面,这也说明了为什么更好的数据对于健全的科学研究是至关重要的。

沙普利认为,银河系比大多数人想象的要大得多,因此有足够的空间容纳所有的星云。柯蒂斯提出了相反的观点,认为星云是银河系之外的其他星系。尽管沙普利似乎在这场辩论中占了上风,但最终的结果并不是决定性的。

哈勃的标准烛光

埃德温·哈勃正是在这时候介入了,他想要彻底结束这场争论。

哈勃利用威尔逊山天文台的2.54米胡克望远镜,在其他星云中发现了天文学家所说的“标准烛光”,也就是具有已知亮度的光源。想象一下,在一个黑暗的夜晚,你把相同的手电筒放在空旷场地的不同距离上,通过测量它们的相对亮度,就可以利用平方反比定律(光的强度与光源距离的平方成反比)来确定它们与你的距离。

哈勃在许多星系中都发现了标准烛光:一类被称为“造父变星”的恒星具有非常典型的脉动周期。哈佛大学天文台的亨丽爱塔·勒维特在造父变星方面做出了杰出的贡献,发现了这类恒星的周光关系,使得后来的天文学家能够计算地球与遥远星系间的距离。从邻近的光源开始,哈勃构建了一个“宇宙距离阶梯”,用他确定的标准烛光测量更遥远的星系距离。

1924年初,哈勃写信给沙普利,表示自己在仙女座星云中发现了造父变星。沙普利立刻明白,他对宇宙的观点已经过时。到1924年底,哈勃已经在仙女座星云和其他22个螺旋星云中发现了几十个造父变星,它们之间的距离达数百万光年。大辩论结束了:宇宙是由“岛屿宇宙”组成的,这些星系相距遥远。不过,此时的宇宙仍然是静态的。

从静态宇宙到哈勃定律

同时,一些宇宙理论模型提出了与爱因斯坦相反的观点。宇宙会随着时间而改变。如果是这样的话,星系应该会在空间的拉伸下彼此原理,就像漂浮在河流中的软木塞一样。

1917年,荷兰天文学家、物理学家威廉·德西特提出,一个拥有“宇宙学常数”的空宇宙将以指数级速度膨胀。(爱因斯坦在1917年提出了一个宇宙学常数,用来抵消引力场的影响,使他的方程能有静态宇宙的解。除去此项,宇宙就会快速增长。)

1922年,俄罗斯宇宙学家亚历山大·弗里德曼提出,即使没有宇宙学常数,宇宙也可以膨胀和收缩,这取决于宇宙中含有多少物质。几年后,比利时神父兼天体物理学家乔治·勒梅特提出了一个原始原子模型,在这个模型中,宇宙从一个巨大的放射性中子球的衰变中诞生,并继续膨胀,产生星系和恒星。

这些理论或许很令人兴奋,但只有数据才能给理论注入生命。经过细致的研究,1929年,哈勃和他的助手米尔顿·赫马森宣布,他们的观测结果支持了宇宙正在膨胀的观点。哈勃确定了他所需要的标准烛光——在46个星系中那些非常明亮的恒星,甚至比造父变星还要亮。他得出结论,星系彼此远离的速度与它们的距离成正比。这种关系原先被称为哈勃定律,现在被改为哈勃-勒梅特定律,是描述宇宙如何膨胀的理论基础。

宇宙膨胀并不像炸弹爆炸

人们常常把宇宙的膨胀与炸弹的爆炸相混淆,但二者毫无相似之处。炸弹有一个爆炸中心,弹片会从这个中心点飞离,周围空间则作为背景保持固定。相比之下,宇宙的膨胀就是空间本身的膨胀,就好比你脚下的地面开始向两个方向伸展(因为地面是二维的),连同地面上的一切也开始互相远离。就像一个摆着许多课桌的教室,当地面延伸时,课桌也会移开距离。如果每张课桌都是一个星系,那么随着空间的膨胀,所有星系都会彼此远离。没有哪个比另一个更重要。

在膨胀的宇宙中,没有哪一点比其他任何一点更重要。回溯宇宙的历史,所有的点最终都汇聚在一起;那是大爆炸的时刻,发生在大约138亿年前,标志着宇宙膨胀的开始。

分享到 :
相关推荐