发信人: vizer()
整理人: bsese(1999-05-27 16:21:57), 站内信件
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宇宙在膨胀吗？
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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 口 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 人 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 垦 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 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 垦 系 际 气
体 、 尘 埃 ， 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 下 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 在 新 产
生 的 频 率 电 较 原 来 频 率 低 的 能 量 大 子 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 。
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愿科学保佑我们，阿嚏！
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