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问：天文学家是怎样发现宇宙在膨胀的？ 答：红移现象！天文学家观察发现，来自宇宙中遥远天体的光发生了红移（光的频率向红色端移动），这就告诉了我们，这些天体都在远离地球。无论你从什么方向看去，它都是一样的：所有遥远的星系都在远离地球而去。这种现象只有一种解释，那就是我们的宇宙正在膨胀。 天文学家利用光的多普勒频移测量物体相对于地球的运动。多普勒频移是指，当一个声源与你发生相对运动时，我们听到其声音的频率也会发生相应的变化。同理，光也具有多普勒频移，由此其频率根据发射物体的运动而移动。 此外，通过测量地球到星系的距离，人们发现退行的速度与星系离地球的距离成正比。第一个发现它的是爱德文·哈勃，后来这被称为著名的哈勃定律。  埃德温·哈勃的肖像，图：Johan Hagemeyer (1884-1962) 哈勃发现宇宙正在膨胀的证据 埃德温·哈勃突破性发现的两个关键点是在20世纪10年代由其他人为此铺垫的，换言之，他是站在了巨人的肩膀上。 第一个关键点是亨丽爱塔·斯万·勒维特（Henrietta Leavitt）发现了造父变星的周光关系。 1912年，哈佛大学天文台的勒维特观测了小麦哲伦云中的25颗造父变星，他们发现，造父变星的光变周期越长，视星等越大。由于小麦哲伦云离我们足够遥远，恒星又非常密集，其中每颗恒星到地球的距离都可以看作是近似相同的。因此勒维特发现的光变周期与视星等（即恒星在地球上被观测到的亮度）的关系可以视为是光变周期与绝对星等（即恒星本身的亮度）的关系。这个发现可以让天文学家准确计算出变星离地球的距离。  上图右侧为遥远的星系在可见光波段的光谱，与图左侧太阳的光谱比较，可以看见谱线朝红色的方向移动，即波长增加（频率降低），图：Georg Wiora (Dr. Schorsch) created this image from the original JPG. Derivative work:Kes47 (talk) 哈勃在他1924年的发现中已经利用了这一知识，他观测了仙女座星系中的变星，发现其距离地球超过90万光年 - 远远超出了银河系的长度 - 这在当时对每个人来说都是一个惊喜。 凭借这种比例和其他工具，哈勃已经发现并测量了其他23个星系，发现他们距离我们大约2000万光年。 第二个关键是维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）的工作，他在哈勃的发现之前对螺旋星云进行了研究。这些星云发出的光可以在光谱上色散成不同的颜色。每一种颜色代表其含有不同的元素。然后，根据光源中的元素，谱线以特定图案出现在该光谱中。然而，他发现，如果光源正在远离，那么这些谱线就会向光谱的红色一端偏移。同理，靠近我们，则会向蓝端偏离。通过分析星云发出的光，他发现它们几乎都是偏红许多。维斯托·斯里弗意识到，谱线向红端的偏移意味着那些天体正在迅速远离观察者。但是他没有办法测量这些红移天体的距离。 哈勃经过观测，得到的结论是：星系的红移与星系和地球的距离成正比。这意味着距离地球更远地方的天体正在离开我们的速度越快。换句话说，宇宙在膨胀。他在1929年宣布了自己的发现。距离与红移的比例是每光年距离的速度为170公里/秒，现在称为哈勃常数。这些数字并不完全正确，随着测量技术的改进，哈勃早期的所有数据正在不断改变。他一直致力于解决这个问题，并在整个职业生涯中收集数据。 有人认为哈勃的发现是本世纪天文学中最重要的事件。 它改变了我们对世界的看法。 因为他的结果表明，宇宙正在膨胀，这支持了1927年乔治·勒梅特（Georges LeMaitre）提出的理论。一个正在膨胀的宇宙，就像大爆炸的后果，一定曾经发生过“未爆炸”，一个在时间和空间上的单一质点。 宇宙膨胀的发现-扩展篇 与此同时，研究爱因斯坦引力理论的其他物理学家和数学家也发现，有关相对论的方程中有一些描述膨胀宇宙的解。在这些解中，来自遥远物体的光在穿过膨胀的宇宙时会被红移。红移会随着距离的增加而增加。 一旦科学家们了解到宇宙正在膨胀，他们立刻意识到，时间距今越早，宇宙就越小。在过去的某个时刻，整个宇宙都是一个单一的点。这一点，后来被称为大爆炸，是宇宙的开端，正如我们今天所理解的宇宙那样。 膨胀的宇宙在时间和空间上都是有限的。正如牛顿和爱因斯坦的方程所言那样，宇宙没有崩溃的原因在于它从诞生的那一刻起就一直在膨胀。宇宙处于不断变化的状态。膨胀的宇宙是基于现代物理学的新概念，它消除了从古代到20世纪初困扰天文学家的悖论。  从大爆炸形成的宇宙演化图解。在这幅图中宇宙以二维呈现，第三维度是时间，向右是时间流动的方向。图：CMB_Timeline75.jpg: created by NASA derivative work: 2thuriel (talk) 宇宙的未来 宇宙膨胀方程有三种可能的解，每一种都预示着整个宇宙不同的最终命运。通过测量宇宙相对于宇宙所包含的物质的膨胀速度，可以确定最终将降临宇宙的命运。 这三种可能类型，分别称为开放的、扁平的和封闭的宇宙。如果宇宙是开放的，它将永远膨胀。如果宇宙是扁平的，它也会永远膨胀，但是在无限长的时间之后，膨胀速率会减慢到零。如果宇宙是封闭的，它最终将停止膨胀并重新开始收缩，可能导致另一个大爆炸。在所有三种情况下，膨胀都会减慢，导致这种减速的力就是重力（万有引力）。 让我们以一个简单的比喻来理解这三种宇宙的形态，首先我们要考虑从地球表面发射的一艘宇宙飞船。如果宇宙飞船没有足够的速度来逃离地球的引力，它最终会回落到地球。这类似于一个封闭的宇宙。如果宇宙飞船被给予足够的速度，使得它只有足够的能量逃逸，那么在远离地球的无穷远处，它将停下来（这是平坦的宇宙）。最后，如果发射的船具有足够的能量来逃脱，它将始终具有一定的速度，即使它是无限远的距离（这就是开放的宇宙）。  三种不同类型的宇宙，图：Sloan Digital Sky Survey 参考资料 1.WJ百科-英文版（Expansion of the universe） 2.Hubble finds proof that the universe is expanding 3.Is there definitive evidence for an expanding universe? 4.The Expanding Universe - Sloan Digital Sky Survey 5.How is it proved that the Universe is expanding? (Intermediate) 文章作者：天文在线 |
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