登陆注册
2835600000005

第5章 宇宙的样子(2)

早在1910年前后,天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象,个别星系的光谱还有紫移现象。这些现象可以用多谱勒效应来解释。远离我们而去的光源发出的光,我们收到时会感到其频率降低,波长变长,并出现光谱红移的现象,即光谱会向长波方向移动的现象。反之,向着我们迎面而来的光源,光谱线会向短波方向移动,出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应相似。许多人都有过这样的感受:迎面而来的火车其鸣叫声特别尖锐刺耳,远离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝。这就是声波的多普勒效应,迎面而来的声源发出的声波,我们感到其频率升高,远离我们而去的声源发出的声波,我们则感到其频率降低。

如果认为星系的红移、紫移是多普勒效应,那么大多数星系都在远离我们,只有个别星系向我们靠近。随之进行的研究发现,那些个别向我们靠近的紫移星系,都在我们自己的本星系团中(我们银河系所在的星系团称本星系团)。本星系团中的星系,多数红移,少数紫移,而其他星系团中的星系就全是红移了。

1929年,美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据,提出一条经验规律,河外星系(即我们银河系之外的其他银河系)的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。由于多普勒效应的红移量与光源的速度成正比,所以,上述定律又表述为:河外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比:

V=HD

式中V是河外星系的退行速度,D是它们到我们银河系中心的距离。这个定律称为哈勃定律,比例常数H称为哈勃常数。按照哈勃定律,所有的河外星系都在远离我们,而且,离我们越远的河外星系,逃离得越快。

哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论正好相符。个别星系的紫移可以这样解释,本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动,因此总会有少数星系在一定时间内向我们的银河系靠近。这种紫移现象与整体的宇宙膨胀无关。

哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不过,如果查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图,人们会感到惊讶。在距离与红移量的关系图中,哈勃标出的点并不集中在一条直线附近,而是比较分散的。哈勃怎么敢于断定这些点应该描绘成一条直线呢?一个可能的答案是,哈勃抓住了规律的本质,抛开了细节。另一个可能是,哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论,所以大胆认为自己的观测与该理论一致。以后的观测数据越来越精,数据图中的点也越来越集中在直线附近,哈勃定律终于被大量实验观测所确认。

宇宙有限还是无限

现在,我们又回到前面的话题,宇宙到底有限还是无限?有边还是无边?对此,我们从广义相对论、大爆炸宇宙模型和天文观测的角度来探讨这一问题。

满足宇宙学原理(三维空间均匀各向同性)的宇宙,肯定是无边的。但是否有限,要分三种情况来讨论。

如果三维空间的曲率是正的,那么宇宙将是有限无边的。不过,它不同于爱因斯坦的有限无边的静态宇宙,这个宇宙是动态的,将随时间变化,不断地脉动,不可能静止。这个宇宙从空间体积无限小的奇点开始爆炸、膨胀。此奇点的物质密度无限大、温度无限高、空间曲率无限大、四维时空曲率也无限大。在膨胀过程中宇宙的温度逐渐降低,物质密度、空间曲率和时空曲率都逐渐减小。体积膨胀到一个最大值后,将转为收缩。在收缩过程中,温度重新升高、物质密度、空间曲率和时空曲率逐渐增大,最后到达一个新奇点。许多人认为,这个宇宙在到达新奇点之后将重新开始膨胀。显然,这个宇宙的体积是有限的,这是一个脉动的、有限无边的宇宙。

如果三维空间的曲率为零,也就是说,三维空间是平直的(宇宙中有物质存在,四维时空是弯曲的),那么这个宇宙一开始就具有无限大的三维体积,这个初始的无限大三维体积是奇异的(即“无穷大”的奇点)。大爆炸就从这个“无穷大”奇点开始,爆炸不是发生在初始三维空间中的某一点,而是发生在初始三维空间的每一点。即大爆炸发生在整个“无穷大”奇点上。这个“无穷大”奇点,温度无限高、密度无限大、时空曲率也无限大(三维空间曲率为零)。爆炸发生后,整个“奇点”开始膨胀,成为正常的非奇异时空,温度、密度和时空曲率都逐渐降低。这个过程将永远地进行下去。这是一种不大容易理解的图像:一个无穷大的体积在不断地膨胀。显然,这种宇宙是无限的,它是一个无限无边的宇宙。

三维空间曲率为负的情况与三维空间曲率为零的情况比较相似。宇宙一开始就有无穷大的三维体积,这个初始体积也是奇异的,即三维“无穷大”奇点。它的温度、密度无限高,三维、四维曲率都无限大。大爆炸发生在整个“奇点”上,爆炸后,无限大的三维体积将永远膨胀下去,温度、密度和曲率都将逐渐降下来。这也是一个无限的宇宙,确切地说是无限无边的宇宙。

那么,我们的宇宙到底属于上述三种情况的哪一种呢?我们宇宙的空间曲率到底为正,为负,还是为零呢?这个问题要由观测来决定。

广义相对论的研究表明,宇宙中的物质存在一个临界密度ρc,大约是每立方米三个核子(质子或中子)。如果我们宇宙中物质的密度ρ大于ρc,则三维空间曲率为正,宇宙是有限无边的;如果ρ小于ρc,则三维空间曲率为负,宇宙也是无限无边的。因此,观测宇宙中物质的平均密度,可以判定我们的宇宙究竟属于哪一种,究竟有限还是无限。

此外,还有另一个判据,那就是减速因子。河外星系的红移,反映的膨胀是减速膨胀,也就是说,河外星系远离我们的速度在不断减小。从减速的快慢,也可以判定宇宙的类型。如果减速因子q大于,三维空间曲率将是正的,宇宙膨胀到一定程度将收缩;如果q等于,三维空间曲率为零,宇宙将永远膨胀下去;如果q小于,三维空间曲率将是负的,宇宙也将永远膨胀下去。

下表列出了有关的情况:

宇宙中

物质密度红移的

减速因子三维

空间曲率宇宙

类型膨胀

特点ρ>ρcq>正有限无边脉动ρ=ρcq=零有限无边永远膨胀ρ<ρcq<负有限无边永远膨胀我们有了两个判据,可以决定我们的宇宙究竟属于哪一种了。观测结果表明,ρ<ρc,我们宇宙的空间曲率为负,是无限无边的宇宙,将永远膨胀下去!不幸的是,减速因子观测给出了相反的结果,q>,这表明我们宇宙的空间曲率为正,宇宙是有限无边的,脉动的,膨胀到一定程度会收缩回来。哪一种结论正确呢?有些人倾向于认为减速因子的观测更可靠,推测宇宙中可能有某些暗物质被忽略了,如果找到这些暗物质,就会发现ρ实际上是大于ρc的。另一些人则持相反的看法。还有一些人认为,两种观测方式虽然结论相反,但得到的空间曲率都与零相差不大,可能宇宙的空间曲率就是零。然而,要统一大家的认识,还需要进一步的实验观测和理论推敲。今天,我们仍然肯定不了宇宙究竟有限还是无限,只能肯定宇宙无边,而且现在正在膨胀!此外,还知道膨胀大约开始于100亿~200亿年以前,这就是说,我们的宇宙大约起源于100亿~200亿年之前。

爱因斯坦宇宙模型

根据物理理论,在一定的假设前提下提出的关于宇宙的设想与推测,称为宇宙模型。

著名科学家爱因斯坦于1916年建立了广义相对论的物理理论。这一理论认为,宇宙中没有绝对空间和绝对时间,无论是空间和时间都不能与物质隔开来,空间和时间均受物质影响;引力是空间弯曲的效应,而空间弯曲是由物质存在决定的。爱因斯坦将他的理论应用于宇宙研究,1917年发表了《根据广义相对论的宇宙学考察》的论文,他将广义相对论的引力场方程用于整个宇宙,建立起一种宇宙模型。

当时科学家普遍认为宇宙是静止的,不随时间变化的。美国天文学家斯里弗已发现了河外星系的谱线红移(显然这是对静止宇宙的挑战),但由于当时正值第一次世界大战,这一消息并没有传到欧洲。因此,爱因斯坦也和大多数科学家一样,认为宇宙是静态的。爱因斯坦想从引力场方程着手,得出一个宇宙是静态的、均匀的、各向同性的答案。但他得到的解是不稳定的,表明空间和距离不是恒定不变的,而是随时变化的。为了得到一个空间是稳定的解,爱因斯坦人为地在引力场方程中引入一个叫做“宇宙常数”的项,让它起斥力的作用。爱因斯坦得出一个有限无边的静态宇宙模型,称为爱因斯坦宇宙模型。为了便于理解,可把它比喻为三维空间中的一个二维球面:球面的面积是有限的、但沿着球面没有边界,也无中心,球面保持静态状态。几年以后,爱因斯坦得知河外星系退行,宇宙是膨胀的消息后,非常后悔在自己的模型中加了一个宇宙常数项,称这是他一生中犯的最大错误。

同类推荐
  • 安徒生童话(语文新课标课外读物)

    安徒生童话(语文新课标课外读物)

    《安徒生童话》的作者是丹麦作家安徒生。1805年,他生于一个贫苦的鞋匠家庭,早年在慈善学校读过书,当过学徒工。在父母宽松的教育环境下,安徒生很早就展现了其非凡的想象力。他在家中搭起了玩具剧场,并且给他的木偶做衣服,同时他还阅读所有能借到的戏剧剧本。他的父亲去世较早,全家靠母亲给人洗衣服的那一点微薄收入维持生活。尽管安徒生过着十分贫穷的生活,但他却有着远大的理想。经过十几年的奋斗,他终于踏进了文坛“为了争取未来的一代”,安徒生决定给孩子写童话,出版了《讲给孩子们听的故事》。
  • 推理要在晚餐后

    推理要在晚餐后

    众所周知,福尔摩斯是个了不起的大人物,因为每一个扑朔迷离、疑问重重、案中有案的案件,经他手之后都会水落石出。在惊呼原来如此的同时,我们也应该扪心自问一下:我能够做到吗?其实,通过侦探思维游戏培养人的逻辑推理能力和想象力,效果最为显著。本书所收集的精彩迷人的侦探思维游戏,专门训练你的观察力、注意力、记忆力、判断力、想象力及创造力,相信一定能使你在玩乐中越变越聪明。
  • 上当了别找我(好看系列)

    上当了别找我(好看系列)

    叙事艺术的时尚化表达,是王钢作品最受儿童读者欢迎的一个重要的因素。王钢小说呈现了今天儿童生活的时尚性的一面,而且用很新鲜的、具有当下气息的语言准确地表现了校园生活和儿童内心。王钢的时尚化表达,是从两个方面进行的:一是用幽默的场景和夸张而富有情感冲击力的语言来展现形象的特征。二是小说里每一个小角色的性格和语言都是很独立性的,作家给每一个孩子都画下了一幅喜剧化的脸谱。值得注意的是,王钢意识到了儿童生活时尚化的一面,将这种时尚化加以艺术的呈现,给予审美的观照,赋予爱的色彩。
  • 读书故事(影响青少年一生的中华典故)

    读书故事(影响青少年一生的中华典故)

    本书一共二十册,书中的故事具有很强的启迪性,对青少年的人生成长具有很大帮助性。
  • 穿越喜马拉雅山的信鸽

    穿越喜马拉雅山的信鸽

    在第一次世界大战期间,加尔各答市的人都忙着训练鸽子,希望所养的鸽子能被选为传信鸽。小男孩也一心想把花颈鸽训练成信鸽王。它曾冲向老鹰,去救自己的同伴,也曾在暴风雨中迷航;还曾在战场上穿越枪林弹雨……不幸的是花颈鸽在执行一次重要任务时受伤,从此意志消沉……它还能飞上蓝天吗?
热门推荐
  • 东宫有本难念的经

    东宫有本难念的经

    宝庆十九年春,大佑国皇太子大婚,大将军之女入主东宫。一个不是淑女的将门千金遭遇一个不是文韬武略的中庸太子,到底是佳偶天成,还是冤家路窄?成婚一年不足,太子忽然休妻。迷影重重,生死茫茫,这样一来,还是不是大团圆结局?
  • 霸道校草独宠乖丫头

    霸道校草独宠乖丫头

    (许白凡的新书已发,名字叫:《萌妻撩人:腹黑帝少心尖宠》)她哭着对上官鹏说:我们不能在一起!有太多太多的事情阻碍着我们!上官鹏一脸不解,紧锁双眉问:“为什么?”她没有回答,只是留下了一抹苍凉的背影!上官鹏,人品好,学习,家世好,长得帅,女生心中梦寐以求的白马王子。无意中,那个乖丫头就这样闯入了他的心中,当他去追的时候,她却成为了别人的女朋友!
  • 激发孩子潜能的智慧故事(青少年心灵成长直通车)

    激发孩子潜能的智慧故事(青少年心灵成长直通车)

    《国民阅读文库·青少年心灵成长直通车》系列从成长中可能遇到的问题出发,内容涵盖了勤奋、坚强、自信、乐观等诸多与孩子健康成长密切相关的方面,人选的故事通俗易懂,道理清晰明了,版式活泼多样,容易激发孩子强烈的阅读兴趣,能够起到极好的教育和熏陶作用,对于提高孩子的文化养、拓展孩子的知识面大有帮助。好习惯成就好未来,孩子从小养成良好的习惯,成就大事业将不再是遥不可及的梦想。生命需要鼓舞,心灵需要滋润。《国民阅读文库·青少年心灵成长直通车》图书的故事极具启蒙意义,可以启迪孩子的心灵,开发孩子的潜能,塑造孩子健康的人格,为孩子健康茁壮成长创造必要的条件。愿孩子们拥有一次快乐的阅读之旅。本书由韩震担任主编。
  • 告别上火的生活

    告别上火的生活

    中医用“火”来形容人体内的一些热性症状,所以,人们常说的上火也就是人体阴阳失衡后出现的内热症。本书针对人体出现的不同上火症状,提出了独特的解决方案。书中详细讲解了人体上火的各种症状和解决方案,帮助您制订正确的养生方案,从而拥有健康的生活习惯。
  • 明治天皇:孝明帝驾崩卷(下册)

    明治天皇:孝明帝驾崩卷(下册)

    《明治天皇》再现了日本从幕末走向明治维新的历史变革,以优美的文笔,宏大的场景,详细描绘了日本近代决定国运的倒幕运动的整个过程。本书塑造了一个个鲜活的日本近代史人物形象,以及他们的坚定信念,对“安政大狱”、“樱田门之变”等重大历史事件的描述详实生动,是一部了解近代日本不可多得的佳作。
  • 所多玛的咒语

    所多玛的咒语

    期刊著名作家水湄伊人的最新力作《所多玛的咒语》,以严谨苛刻的态度,倾尽心血,打造精品,集惊悚、悬疑、魔幻为一身。经典唯美,飘浮诡异,悬疑惊悚及古埃及文化的深度魅力,对每个人的内心都有着永远的古老的诱惑。母亲的离奇死亡,诱发了女孩叶苇对于自己前世今身之谜的探究欲望。殊不料,命案一再发生,一桩比一桩诡秘,死者竟全是处女座的男性。古老的咒语在灵验中…
  • 辛巴达历险记(语文新课标课外读物)

    辛巴达历险记(语文新课标课外读物)

    在历史上阿拉伯文学阿拉伯半岛人民的文学,以后指阿拉伯帝国的文学,即中古时期的阿拉伯文学。这一时期除带有深刻宗教色彩的诗歌外,还有大量骑士文学及反映民族及人生的理性文化,包括富有哲理的脍炙人口的寓言或童话,如《一千零一夜》(又译《天方夜谭》)及《辛巴达历险记》等。本书中主人物辛巴达一夜间沦为乞丐。他不甘清贫,决定出海远航创造财富。他七次出海,大船都半途沉没。他逃生到赛马岛被人追求;他落滩到蛇雕岛遭受猿人王和巨人攻击;他登上吃人岛又被恶人咬伤;他落难生死岛被海盗打伤;他每七次出海,大船卷进神秘漩涡,他被卷到海底王宫,被九头蛟捉住……
  • 邵家有女

    邵家有女

    前世被人陷害,被人去母留子,含恨而死。一朝重生到三年前,一切悲剧还没发生,还来得及!这是平民女到皇后的金手指之路!
  • 星座:预知未来的魔法

    星座:预知未来的魔法

    知命是为了更好的改变自己的命运!这个世界上,万物皆有联系。我们跟天上的星座,也同样有联系。通过占星,我们可以以一个全新的角度去思考自己的人生。观察我们自己、他人的星盘,静下心来,仔细思考这一切的关联和矛盾,进而你甚至能真正体会到命运轨迹的神奇。我们不应当排斥“占星术”这个观察生命的另一种角度。一起跟随本书来体会一下四位作者关于2012-2024年12星座运势的看法吧!
  • 桃儿杏儿

    桃儿杏儿

    林希有一句令人咀嚼的话:唯有小说无可说。邵燕祥在评价林希小说时,说过一句很精辟的话,他说林希是把“二十年代的砂变成九十年代的朱”。林希写了《桃儿杏儿》,用他自己的话说“以纪念那些写了那些行止见识皆出于我之上的美丽女性。”