【原】膨脹了，我的宇宙！那么你知道天文學家是怎樣發現宇宙在膨脹的嗎？

天文在線 2023-04-08 發布于云南

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問：天文學家是怎樣發現宇宙在膨脹的？

答：紅移現象！天文學家觀察發現，來自宇宙中遙遠天體的光發生了紅移（光的頻率向紅色端移動），這就告訴了我們，這些天體都在遠離地球。無論你從什么方向看去，它都是一樣的：所有遙遠的星系都在遠離地球而去。這種現象只有一種解釋，那就是我們的宇宙正在膨脹。

天文學家利用光的多普勒頻移測量物體相對于地球的運動。多普勒頻移是指，當一個聲源與你發生相對運動時，我們聽到其聲音的頻率也會發生相應的變化。同理，光也具有多普勒頻移，由此其頻率根據發射物體的運動而移動。

此外，通過測量地球到星系的距離，人們發現退行的速度與星系離地球的距離成正比。第一個發現它的是愛德文·哈勃，后來這被稱為著名的哈勃定律。

埃德溫·哈勃的肖像，圖：Johan Hagemeyer (1884-1962)

哈勃發現宇宙正在膨脹的證據

埃德溫·哈勃突破性發現的兩個關鍵點是在20世紀10年代由其他人為此鋪墊的，換言之，他是站在了巨人的肩膀上。

第一個關鍵點是亨麗愛塔·斯萬·勒維特（Henrietta Leavitt）發現了造父變星的周光關系。 1912年，哈佛大學天文臺的勒維特觀測了小麥哲倫云中的25顆造父變星，他們發現，造父變星的光變周期越長，視星等越大。由于小麥哲倫云離我們足夠遙遠，恒星又非常密集，其中每顆恒星到地球的距離都可以看作是近似相同的。因此勒維特發現的光變周期與視星等（即恒星在地球上被觀測到的亮度）的關系可以視為是光變周期與絕對星等（即恒星本身的亮度）的關系。這個發現可以讓天文學家準確計算出變星離地球的距離。

上圖右側為遙遠的星系在可見光波段的光譜，與圖左側太陽的光譜比較，可以看見譜線朝紅色的方向移動，即波長增加（頻率降低），圖：Georg Wiora (Dr. Schorsch) created this image from the original JPG. Derivative work:Kes47 (talk)

哈勃在他1924年的發現中已經利用了這一知識，他觀測了仙女座星系中的變星，發現其距離地球超過90萬光年 - 遠遠超出了銀河系的長度 - 這在當時對每個人來說都是一個驚喜。憑借這種比例和其他工具，哈勃已經發現并測量了其他23個星系，發現他們距離我們大約2000萬光年。

第二個關鍵是維斯托·斯里弗（Vesto Slipher）的工作，他在哈勃的發現之前對螺旋星云進行了研究。這些星云發出的光可以在光譜上色散成不同的顏色。每一種顏色代表其含有不同的元素。然后，根據光源中的元素，譜線以特定圖案出現在該光譜中。然而，他發現，如果光源正在遠離，那么這些譜線就會向光譜的紅色一端偏移。同理，靠近我們，則會向藍端偏離。通過分析星云發出的光，他發現它們幾乎都是偏紅許多。維斯托·斯里弗意識到，譜線向紅端的偏移意味著那些天體正在迅速遠離觀察者。但是他沒有辦法測量這些紅移天體的距離。

哈勃經過觀測，得到的結論是：星系的紅移與星系和地球的距離成正比。這意味著距離地球更遠地方的天體正在離開我們的速度越快。換句話說，宇宙在膨脹。他在1929年宣布了自己的發現。距離與紅移的比例是每光年距離的速度為170公里/秒，現在稱為哈勃常數。這些數字并不完全正確，隨著測量技術的改進，哈勃早期的所有數據正在不斷改變。他一直致力于解決這個問題，并在整個職業生涯中收集數據。

有人認為哈勃的發現是本世紀天文學中最重要的事件。它改變了我們對世界的看法。因為他的結果表明，宇宙正在膨脹，這支持了1927年喬治·勒梅特（Georges LeMaitre）提出的理論。一個正在膨脹的宇宙，就像大爆炸的后果，一定曾經發生過“未爆炸”，一個在時間和空間上的單一質點。

宇宙膨脹的發現-擴展篇

與此同時，研究愛因斯坦引力理論的其他物理學家和數學家也發現，有關相對論的方程中有一些描述膨脹宇宙的解。在這些解中，來自遙遠物體的光在穿過膨脹的宇宙時會被紅移。紅移會隨著距離的增加而增加。

一旦科學家們了解到宇宙正在膨脹，他們立刻意識到，時間距今越早，宇宙就越小。在過去的某個時刻，整個宇宙都是一個單一的點。這一點，后來被稱為大爆炸，是宇宙的開端，正如我們今天所理解的宇宙那樣。

膨脹的宇宙在時間和空間上都是有限的。正如牛頓和愛因斯坦的方程所言那樣，宇宙沒有崩潰的原因在于它從誕生的那一刻起就一直在膨脹。宇宙處于不斷變化的狀態。膨脹的宇宙是基于現代物理學的新概念，它消除了從古代到20世紀初困擾天文學家的悖論。

從大爆炸形成的宇宙演化圖解。在這幅圖中宇宙以二維呈現，第三維度是時間，向右是時間流動的方向。圖：CMB_Timeline75.jpg: created by NASA derivative work: 2thuriel (talk)

宇宙的未來

宇宙膨脹方程有三種可能的解，每一種都預示著整個宇宙不同的最終命運。通過測量宇宙相對于宇宙所包含的物質的膨脹速度，可以確定最終將降臨宇宙的命運。

這三種可能類型，分別稱為開放的、扁平的和封閉的宇宙。如果宇宙是開放的，它將永遠膨脹。如果宇宙是扁平的，它也會永遠膨脹，但是在無限長的時間之后，膨脹速率會減慢到零。如果宇宙是封閉的，它最終將停止膨脹并重新開始收縮，可能導致另一個大爆炸。在所有三種情況下，膨脹都會減慢，導致這種減速的力就是重力（萬有引力）。

讓我們以一個簡單的比喻來理解這三種宇宙的形態，首先我們要考慮從地球表面發射的一艘宇宙飛船。如果宇宙飛船沒有足夠的速度來逃離地球的引力，它最終會回落到地球。這類似于一個封閉的宇宙。如果宇宙飛船被給予足夠的速度，使得它只有足夠的能量逃逸，那么在遠離地球的無窮遠處，它將停下來（這是平坦的宇宙）。最后，如果發射的船具有足夠的能量來逃脫，它將始終具有一定的速度，即使它是無限遠的距離（這就是開放的宇宙）。