宇宙在膨胀

宇宙在膨胀

1929年，哈勃(E．Hubble，1889—1953)研究了我们周围24个已知距离的星系的光谱。光谱中包含某些元素产生的一些特定谱线，它们的位置对应一定的波长或频率，本来由实验室测量已经确定下来。但是哈勃发现，这些星系的谱线位置都向长波方向(红端)移动了，即产生了红移。如果某一特定谱线(如氢原子的Hα)在实验室测定的波长是λ₀，而来自星系的同一条谱线波长观测值是λ，红移量用其相对增量表示:且发现离我们越远的星系，其红移量越大，成正比关系，即

其中，d是星系的距离;μ是比例常数。这一实验测定的结果如此有规律，又如此确定，令人惊奇。为什么不向蓝端移动而都向红端移动?为什么红移量又刚好与距离是正比关系呢?

我们知道，当一辆火车迎面开来时，我们听到汽笛声的音调增高，是因为接收到的声波频率变高即波长变短的缘故;当它离开我们而去时，又听到汽笛音调降低，是因为接收到的声波频率降低即波长变长的缘故。这种现象叫做多普勒(J．C．Doppler)效应，是声源(火车)运动造成的。光源运动也有多普勒效应，当星系以速度υ背离我们远去时，接收到它的波长也会变长，由λ0变为λ，而且按照多普勒效应可算出波长的相对增量为:

这里c为光速。与(8．2)式结合，可以得出

其中H₀仍是比例常数，人们为了纪念哈勃，称为哈勃常数。此后对所有已知距离的星系进行测量，都证明(8．4)式的正确性。最初哈勃对H₀的测定不太准确，随着测量手段的进步，H₀的数值也在变化，1996年底测定的值是H₀=65千米/(秒·兆秒差距)=195千米/(秒·千万光年)。(8．4)式所表示的规律，称作哈勃定律，它清楚地告诉我们，星际都在背离我们而去。它们的背离速度(又叫退行速度)υ与其距离d成正比，距离越远的跑得越快。离我们1千万光年的星系其退行速度约195千米/秒，离我们1亿光年的星系其退行速度就是1950千米/秒。

哈勃定律指出，一切星系都以我们为中心向四面八方散开，这是否意味着我们地球在宇宙中处于特殊地位呢?不是!由于宇宙的均匀性和各向同性，站在任何一个星系上都会看到所有其他星系都以它为中心四处散开，都服从哈勃定律。就是说，当我们把宇宙看成是星系“分子”组成的气体时，气体内的分子间都相互散开、彼此远离，这就是说气体整体在膨胀!为想通这一结论，你可以在气球上标许多点，当往气球里充气时，它整体膨胀。站在你标的那些点中的任何一点去观测所有其他的点，都在四处散开相互远离，如图8－3所示。宇宙也完全类似，宇宙在膨胀。它的半径r(t)是变化的，一般写作r(t)=R(t) r₀，其中r₀是当今宇宙半径，是确定的值。这样，膨胀过程由R(t)来表达，R(t)＜1是以前的宇宙，R(t)＞1是今后的宇宙。

图8－3　宇宙空间在膨胀的道理

宇宙在膨胀的事实，经其他人的研究得到进一步的证实。这是20世纪天文学中最杰出的发现，它使人们对宇宙的认识，又一次发生了巨大的变革，以一个朝气蓬勃的膨胀宇宙取代了死气沉沉的静止的宇宙。

描述宇宙的理论是爱因斯坦的广义相对论，它的基本方程是爱因斯坦引力场方程，这是一个非线性方程，较为复杂，不再写出。由它可以得到一个描写膨胀的基本方程，再和宇宙内光子气体或其他物质气体的物态方程相结合，可以得出宇宙物质平均密度的方程:

其中，G为引力常数;k为宇宙曲率常数，有0、±1三个可能取值;ρc称作临界密度，是常数。