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第三节 膨胀的宇宙

对于河外星系的各种认知中,最令人惊叹的是,人们根据它们的光谱、光谱线的移动而预测出的河外星系离我们而去的速度。威尔逊山的天文学家发现并告知世人,在大熊座中有一个暗弱星系正在以每秒1.1万千米的速率飞离我们。利用分光仪观察更远的星系时,也不难看出,它们的速度明显地加快了。那么,也就是说,在将我们自身运动所带来的影响忽略不计的情况下,河外星系以它们最快的速率飞离我们,并且距离越远,速率就越大。比利时的勒梅特(Lemaitre)计算并展示了一个数学公式,其意义就是为了表示膨胀的宇宙。此结构与我们在河外星系中所观察到的状况是相同的,越远的物体,远离我们的速度就越快。

当下,尽管“大爆炸宇宙学”众人皆知,但刚开始触及这些说法时,心中却是充满了疑

问的。都说宇宙没有边界,时间总是永恒,既然如此,宇宙的大爆炸何时开始?爆炸点又因何而来?

什么是宇宙?即自然界中一切事物的总体。宇宙学是一个关于物理方面的内容,与哲学无关。其研究的内容也并非其自身,而是它整个的行为,当然,要根据天体来获取信息,观测、探讨研究它的过去与将来。既然研究的是过去与未来的问题,那么就要进行推理,而推理,就需要相应的依据。因此,我们设定两个“宇宙学原理”作为依据。第一个就是物理定律的普适性。人类所挖掘出并加以利用的所有物理学定律,无论是宇宙的哪个角落、什么时间都具有百分之百的适用性。第二点则是,宇宙在大尺度上是均匀的,并且,它不以任何一点为中心,在整个宇宙的任何方向及空间都具有相同的属性。换言之,无论是在哪个天

体,按照统一的坐标和时间进行大尺度观测宇宙的现象和发展都与地球上所看到的相同;而事实证明,的确如此。例如,从星系团空间分布、射电源空间分布、宇宙背景辐射各个角度进行观察,其性质都是一样。

以下是关于以往出现过的宇宙模型的例子:

1.牛顿静态宇宙论:时间如缓缓的细水,以匀称的姿态流淌着,空荡荡的空间里单薄得只剩下支架。不计其数的静态天体在欧几里得空间内均匀地散布。这个“直观”的宇宙存在于著名的奥尔伯斯佯谬(Olbers paradox,1826年):如果说宇宙的时间和空间都是无限的,各处的恒星,有生息,有灭亡,可数量密度却始终一样,那么,就不存在夜晚与白天,因为到处都是通亮的一片。

2.等级宇宙论:天体及其系统在宇宙中呈现出一个成群结队

的趋势。无论是像太阳系、星团、星系、星系团等这种在小尺度上的,还是在大尺度上的,都对宇宙均匀的不同方向同性的性质不予肯定,并将天体划分出一级高于一级的等级和层次。奥尔伯斯佯谬也因为不均匀而不复存在。而关于宇宙背景辐射的解释也就成了一个难题。

3.稳态宇宙:此种说法意为宇宙是均匀的,各个方向均为相同性质,时间上不仅稳定,而且无论何时,其特征都无任何迥异。多普勒效应映射出红移,也由于到处在创造新的物质,宇宙而随之均匀地膨胀。可人们却心存疑虑,物质和能量是如何在虚无缥缈中产生的呢?

4.静态宇宙模型:宇宙常数被引入到广义相对论引力场方程中,并只求出一个静态解。为何只求出一个静态解呢?此说法是在1917年由爱因斯坦提出,他认为宇宙就是静态的。

他的说法是:宇宙是一个半径大约为35亿光年的封闭式三维“球面”,球面上均匀地分布着各种天体。其实,此种说法与哈勃定律完全背道而驰,宇宙函数也是一个多此一举的引入,爱因斯坦也因此将此函数视为一生中最大的失误。

5.膨胀的宇宙学模型:膨胀的宇宙学模型是在偶然间得来的。1917年,德西特钻研出一个真空静态的宇宙,其依据来源于广义相对论引力场方程,但他意外地发现宇宙随物质的增加而逐渐膨胀,从而,膨胀的宇宙由此诞生。1922年,弗里得曼(A.Friedman)通过广义相对论推算出了一组不同的解,其中的每一个解都可以去阐述一个类型不同的宇宙。当下广被人们接受,并且被誉为“标准宇宙学模型”的大爆炸宇宙模型诞生于1948年,是由伽莫夫(G.G)研究而出。

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