時間簡史The Expanding Universe－3

The Brief History of Time ---Stephen Hawking

 

3--The Expanding Universe

 

在晴朗無月的晚上，我們可以看見很多明亮的星星，如果仔細觀察，會發現很多看似固定的星座其實它們之間的距離並不固定。而且越是離我們近的星座，似乎位置移動的越大。大約1760年，一些天文學家認為銀河係呈圓盤形（disklike)，但是直到20世紀這個觀念才被接受。

 

哈勃在1924年通過觀察認為宇宙不僅僅隻有我們一個銀河係，而是有很多個，互相之間距離遙遠。為了證明這個現象，需要測量銀河係之間的距離，他通過分析光的亮度來間接得出它們的距離。

 

光的亮度取決於2個方麵：光線輻射的強度（luminosity)和光線輻射的距離。科學家可以通過對近距離的星球測出它的亮度和距離來算出它的輻射強度（luminosity), 反過來，如果知道星球的luminosity 和亮度，就能算出它們之間的距離。通過這種方式，哈勃算出9個不同銀河係之間的距離。

 

利用現代太空望遠鏡，我們現在知道宇宙中有成千上萬個銀河係，每個銀河係含有成千上萬個星星。我們居住的銀河係直徑大約有10萬光年，並且緩慢地旋轉著。我們的太陽隻是這個銀河係中靠近旋轉軸的一顆普通大小的黃色星星。顯而易見，它並不是我們曾經認為的宇宙的中心。

 

那麽我們又如何來區分不同的星星？牛頓發現，太陽光通過三棱鏡分濾出不同顏色的光線，組成像彩虹般的光譜。利用望遠鏡我們可以發現不同星星或銀河係之間有不同的光譜，而且越是白熱化的光源它的光譜越取決於光源的溫度，所以我們可以通過分析光譜來推測星星的溫度。另一方麵，我們發現有些光譜中的幾個顏色會缺失，據此我們可以準確推斷它的大氣層的物質成分。

 

1920s, 天文學家們在分析其他銀河係的光譜時發現，它們缺少若幹顏色的光譜類似於我們所在的銀河係光譜，但是它們都共同一致地移向光譜的紅色一端。科學家們運用多普勒效應（Doppler Effort)來解釋這種現象：光線以波形的方式在電磁場中行進，波長的不同決定了顏色的不同，最長波長為紅色，最短波長為藍色。如果光源靜止不變，波長從發源地到到達我們眼裏的長度應該是不變的，然而，如果一個星球不斷朝我們靠近，那麽下一波到達我們眼裏的時候波長應該比一個靜止星球的波長更短，光譜顏色會更靠近藍色。同理，如果一個星球不斷遠離我們，那麽到達我們眼裏的光波波長會更長，在光譜上則更靠近紅色。

 

按照牛頓萬有引力理論，星球之間相互吸引，理論上距離應該是越來越近，光譜應該向藍色一端靠近，但是非常吃驚的是，事實上大多數銀河係的光譜都向紅色一端靠近，同時哈勃還發現，越是離我們遠的銀河係，它們遠離的速度越快！這意味著宇宙並不是靜止不變而是不斷地擴展延伸！

 

俄國數學家Alexander Friedmann對宇宙作出兩個假設：1，不管從哪個方向看，宇宙都是相似的；2，不管從哪個地點看（even out of universe)，宇宙看上去都是相似的。他的第一個假設被美國貝爾實驗室的Penzias 和 Wilson 意外證實。Friedmann對宇宙有3個模型：1）銀河係之間的延伸力小於萬有引力，宇宙擴展延伸一段時間後由於萬有引力的作用距離逐漸變小，最終聚集在一起；2）延伸力等於萬有引力，宇宙的延伸最終和萬有引力達到平衡而不至於造成宇宙回縮；3）延伸力大於萬有引力，宇宙無限期擴展。

 

這3種模型都暗示了宇宙有一個起點，就是大爆炸時刻（big bang)，那時，宇宙非常地集中，所有的理論都失去效果，我們稱這一狀態為Big Bang Singularity。 宇宙起源於singularity, 時間起源於singularity。