时间简史The Expanding Universe－3

The Brief History of Time ---Stephen Hawking

 

3--The Expanding Universe

 

在晴朗无月的晚上，我们可以看见很多明亮的星星，如果仔细观察，会发现很多看似固定的星座其实它们之间的距离并不固定。而且越是离我们近的星座，似乎位置移动的越大。大约1760年，一些天文学家认为银河系呈圆盘形（disklike)，但是直到20世纪这个观念才被接受。

 

哈勃在1924年通过观察认为宇宙不仅仅只有我们一个银河系，而是有很多个，互相之间距离遥远。为了证明这个现象，需要测量银河系之间的距离，他通过分析光的亮度来间接得出它们的距离。

 

光的亮度取决于2个方面：光线辐射的强度（luminosity)和光线辐射的距离。科学家可以通过对近距离的星球测出它的亮度和距离来算出它的辐射强度（luminosity), 反过来，如果知道星球的luminosity 和亮度，就能算出它们之间的距离。通过这种方式，哈勃算出9个不同银河系之间的距离。

 

利用现代太空望远镜，我们现在知道宇宙中有成千上万个银河系，每个银河系含有成千上万个星星。我们居住的银河系直径大约有10万光年，并且缓慢地旋转着。我们的太阳只是这个银河系中靠近旋转轴的一颗普通大小的黄色星星。显而易见，它并不是我们曾经认为的宇宙的中心。

 

那么我们又如何来区分不同的星星？牛顿发现，太阳光通过三棱镜分滤出不同颜色的光线，组成像彩虹般的光谱。利用望远镜我们可以发现不同星星或银河系之间有不同的光谱，而且越是白热化的光源它的光谱越取决于光源的温度，所以我们可以通过分析光谱来推测星星的温度。另一方面，我们发现有些光谱中的几个颜色会缺失，据此我们可以准确推断它的大气层的物质成分。

 

1920s, 天文学家们在分析其他银河系的光谱时发现，它们缺少若干颜色的光谱类似于我们所在的银河系光谱，但是它们都共同一致地移向光谱的红色一端。科学家们运用多普勒效应（Doppler Effort)来解释这种现象：光线以波形的方式在电磁场中行进，波长的不同决定了颜色的不同，最长波长为红色，最短波长为蓝色。如果光源静止不变，波长从发源地到到达我们眼里的长度应该是不变的，然而，如果一个星球不断朝我们靠近，那么下一波到达我们眼里的时候波长应该比一个静止星球的波长更短，光谱颜色会更靠近蓝色。同理，如果一个星球不断远离我们，那么到达我们眼里的光波波长会更长，在光谱上则更靠近红色。

 

按照牛顿万有引力理论，星球之间相互吸引，理论上距离应该是越来越近，光谱应该向蓝色一端靠近，但是非常吃惊的是，事实上大多数银河系的光谱都向红色一端靠近，同时哈勃还发现，越是离我们远的银河系，它们远离的速度越快！这意味着宇宙并不是静止不变而是不断地扩展延伸！

 

俄国数学家Alexander Friedmann对宇宙作出两个假设：1，不管从哪个方向看，宇宙都是相似的；2，不管从哪个地点看（even out of universe)，宇宙看上去都是相似的。他的第一个假设被美国贝尔实验室的Penzias 和 Wilson 意外证实。Friedmann对宇宙有3个模型：1）银河系之间的延伸力小于万有引力，宇宙扩展延伸一段时间后由于万有引力的作用距离逐渐变小，最终聚集在一起；2）延伸力等于万有引力，宇宙的延伸最终和万有引力达到平衡而不至于造成宇宙回缩；3）延伸力大于万有引力，宇宙无限期扩展。

 

这3种模型都暗示了宇宙有一个起点，就是大爆炸时刻（big bang)，那时，宇宙非常地集中，所有的理论都失去效果，我们称这一状态为Big Bang Singularity。 宇宙起源于singularity, 时间起源于singularity。