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宇宙的膨胀

[ 来源: | 作者:本站 | 发布时间:2005-06-10 | 浏览:1451次 ]


    夏日夜空,繁星闪烁,不禁使人陷入对宇宙的遐想之中。20世纪10~20年代,天文学家发现远星系光谱线的频率随着它离我们距离的远近而有规律地变比,即谱线红移。1929年哈勃总结出谱线红移的规律是:对遥远星系,红移量与星系离我们的距离成正比,比例系数H叫哈勃常数,这红移叫宇宙学红移。此后,在红外及整个电磁波波段都观测到了这个规律。它被解释为是由星系系统地向远离我们的方向运动时的多普勒效应产主的。这就像火车远离我们行驶时汽笛的声调(即频率)比静止不动时的声调更低一样,由此得出星系都在做远离我们的运动,离我们越远运动速度越快的结论。这就好像是掺有葡萄干的面包在烤箱中膨胀起来一样。这个模型叫宇宙膨胀模型或大爆炸模型。近年来在宇宙膨胀的基础上又提出了爆胀宇宙等多种改进模型。
   从宇宙膨胀的观点出发,利用哈勃公式反推到过去宇宙中所有天体应该聚集于一点,由于某种原因在它内部产生了"大爆炸"。诞生了现在的宇宙,从而得出了时间是有开端,空间是有限的结论。宇宙从大爆炸到现在究竟经过了多少时间,即宇宙的年龄是多少,这取决于哈勃常数H的大小。最初哈勃常数仅500(公里/秒/百万秒差距),这样算出的宇宙年龄比地球的45亿年的年龄小很多。以后改为50~100之间。若取100,宇宙的年龄只有100亿年,而银河系的球状星团的年龄是150亿年,矛盾很大。若取50,宇宙年龄为200亿年,矛盾不那么明显,因此被大爆炸宇宙论者所赞同,但在观测上,这个数值有些勉强。究竟是多少,一直没有定论。近年来用哈勃太空望远镜观测的结果倾向于取80。这样算出的年龄为120亿年,矛盾还很明显。宇宙将来是一直膨胀下去还是又收缩回来,这要取决于宇宙的平均密度。而宇宙平均密度究竟是多少目前还不能确定,因为观测的距离越远,平均密度越小,下限有没有还不能确定。1965年发现了宇宙空间的2.7K微波背景辐射,被大爆炸论者解释为大爆炸时期的光经过上百亿年后的遗迹,是大爆炸宇宙的一大证据,但这种解释并不是唯一的,因为宇宙空间中充满介质,2.7K微波背景辐射具有黑体辐射的性质,可以解释为宇宙空间中介质发出的温度是2.7K的热辐射。
  仔细分析起来,问题可能出在将光谱线的红移都解释为星系运动的多普勒效应上。过去,人们曾用多普勒效应解释了银河系内恒星的光谱线移动,从而成功地确定了星系内存在自转现象。但现在天文观测中却发现一些红移现象,若用运动的多普勒效应解释就存在许多困难,这促使人们考虑到必然还有其他机制能产生红移,这里列举几种观测结果。
  ①多普勒效应对同一个天体,其红移量与光谱线的频率无关,因此观测每个星系中不同谱线的红移量,比较它们是否一致,就是鉴别红移是否由多普勒效应产生的一种依据。如果一致,就表示有可能是由多普勒效应产生的;如果不一致,就肯定它至少不完全是由多普勒效应产生的。1949年威尔逊对星系NGC4151的观测结果表明,虽然不同频率的红移量差别不大,但也超出了观测的误差范围,频率越高,红移量越小。这样至少可以认为宇宙红移不完全是由多普勒效应产生的。
  ②从太阳中心到边缘各点发出的同一种谱线,在扣除了各种已知的运动效应后,越靠近边缘的地方红移量越大,在太阳半径90%左右的地方,红移量急剧增加。这意味着太阳上还有某种未知的因素在产生红移。
  ③先驱6号宇宙飞船发射的遥测信号中心频率为2292兆赫,当飞船绕到太阳背面经过太阳边缘时观测到异常红移现象。
  ④类星体红移量一般都很大,如果把这都归结为多普勒效应,算出的距离一般在100百万秒差距以上。由此推算出它发出的总光能力为银河系的100倍;射电能为银河系的10万倍。
  而由光变周期算出它的直径只有一光年左右,这意味着类星体的辐射密度非常高,但目前一直找不到产生这样高辐射密度的物理机制。有些天文学家认为,类星体的红移中至少有一部分不是由多普勒效应产生的,因而类星体离我们的距离较现在推算的要近得多。
  ⑤星系、类星体相互之间都有成协的现象,即这些天体两两或更多相距较近并有物理联系。观测表明,有些成协天体间红移值相差较大,有些类星体光谱中的吸收线与发射线互不相同,而且不同的吸收线有各不相同的红移值,称为多重红移。
  既然这些红移不能用多普勒效应解释,那么它产生的原因究竟是什么呢。光在发射时固然有许多因素影响它的频率,但宇宙中这么多天体都如此有规律地只随着远离我们的距离而变化,就难以理解了。光在它漫长的传播路径上经历了几亿至上百亿年的岁月,这期间必然比它在发射的一瞬间有更多的因素影响着它的频率。现在人们了解到,在星系际空间中存在着星系际介质,它的密度在10E-29克/立方厘米以下。成分与银河系的大致相同。除了有能对星光产生可见效应的星系际气体、尘埃和固态物质、低光度星体外,还有大量的基本粒子。
  据估计,星系间基本粒子的质量占了整个宇宙总质量的绝大部分,它们是看不见的。
  光与介质的相互作用是复杂的,介质不仅能吸收光,还能再发射光;再发射的光,其频率不仅仅只是 原有的频率,还有其他的频率,只是在原有频率及其附近强度最大。其实,人们早已熟知光子在传播过程中由于与介质的相互作用会逐渐转变成低频的光子。但过去人们认为这只会使谱线衰减而不会产生红移。
  由惠更斯原理知道,波前上所有粒子产生的子波叠加后能形成具有新频率的平面波。新产生的频率叠加在原有频率上的结果,不像通常认为的那样谱线会被平滑而消失,而是谱线被整体地移动,在远距离传播中,光的频谱的变化就好像在谱卒域中传播的波一样。这里频率域相当于弦,光谱的强度相当弦的振幅,一条谱线对应于弦上的一个波峰,弦上波峰的传播对应于谱线在频率域中传播。这种新型的波叫频域波。如果 新产生的频率电较原来频率低的能量大于较原来频率高的能量,频域波向低频端传播,形成谱线红移;反之,频域波向高频端传播,形成谱线紫移。由实际经验知道,通常总是低频成分多于高频成分,所以实际上常观测到红移。
  星系际空间是充满介质的,星光必须通过介质才能到达地球,所以光谱线必定会红移,而且距离越远红移量越大,这与哈勃公式是一致的。对宇宙红移来说,应先扣除介质产生的红移效应,剩余部分才可能解释成多普勒效应,这是处理观测数据所必需的步骤。但以前在得出膨胀宇宙模型时,并没有做这件工作,扣除后的结果无非是3种情况:①全部扣完,宇宙是稳定的。②还有剩余,宇宙是膨胀的。不过,这时膨胀速度要比现在认为的速度慢得多,宇宙的年龄也比现在算出的大许多。③是负值,宇宙正在收缩。由于我们目前对宇宙空间的情况了解甚少,虽然对地球上的介质与波的相互作用知道一些,但毕竟对在星系际空间中实际发生的情况知道甚微,也许还有些重要的相互作用没有认识到,介质产生红移扣除的结果很难认为是已经完成。也许我们应当反过来,即从宇宙红移来反推星系际介质的情况,这是因为,我们所看到的宇宙是有层次的,有行星、恒星、星团、星系,星系团,总星系等,它们的平均密度呈指数下降,这些都说明宇宙是不均匀的。地球绕太阳转动,太阳绕银河系中心转动,银河系绕本星系团的中心转动,星系团又绕以宇宙背景辐射所表征的经过平均后的星系际空间的介质运动,宇宙也不是各向同性的。这是我们所能看见的最远的宇宙的情况。
  大家知道。对于一个引力系统来说,只有具有一定的角动量(旋转)才可能维持比较稳定的结构。因此,我们观察到的宇宙是比较稳定的,可以认为宇宙红移主要是光通过星系际介质时的频域波。正如上面谈到的,宇宙是膨胀的,稳定的还是收缩的,要扣除星系际介质的效应后才能确定。而扣除介质的效应需要对星系际介质有较详细的了解,这在目前还难以做到。也许应该从我们所观测到的宇宙是较稳定的旋转系统出发,用红移资料来反推介质的情况。人类就是这样在不断探索中来认识宇宙的。