??圍繞一個(gè)問(wèn)題弄得哦，夠不？
宇宙知識(shí)——宇宙在膨脹嗎？
夏日夜空，繁星閃爍，不禁使人陷入對(duì)宇宙的遐想之中。20世紀(jì)10～20年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)星系光譜線的頻率隨著它離我們距離的遠(yuǎn)近而有規(guī)律地變比，即譜線紅移。
??1929年哈勃總結(jié)出譜線紅移的規(guī)律是：對(duì)遙遠(yuǎn)星系，紅移量與星系離我們的距離成正比，比例系數(shù)H叫哈勃常數(shù)，這紅移叫宇宙學(xué)紅移。此后，在紅外及整個(gè)電磁波波段都觀測(cè)到了這個(gè)規(guī)律。它被解釋為是由星系系統(tǒng)地向遠(yuǎn)離我們的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的多普勒效應(yīng)產(chǎn)主的。這就像火車(chē)遠(yuǎn)離我們行駛時(shí)汽笛的聲調(diào)（即頻率）比靜止不動(dòng)時(shí)的聲調(diào)更低一樣，由此得出星系都在做遠(yuǎn)離我們的運(yùn)動(dòng)，離我們?cè)竭h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)速度越快的結(jié)論。
??這就好像是摻有葡萄干的面包在烤箱中膨脹起來(lái)一樣。這個(gè)模型叫宇宙膨脹模型或大爆炸模型。近年來(lái)在宇宙膨脹的基礎(chǔ)上又提出了爆脹宇宙等多種改進(jìn)模型。
從宇宙膨脹的觀點(diǎn)出發(fā)，利用哈勃公式反推到過(guò)去宇宙中所有天體應(yīng)該聚集于一點(diǎn)，由于某種原因在它內(nèi)部產(chǎn)生了大爆炸。
??誕生了現(xiàn)在的宇宙，從而得出了時(shí)間是有開(kāi)端，空間是有限的結(jié)論。宇宙從大爆炸到現(xiàn)在究竟經(jīng)過(guò)了多少時(shí)間，即宇宙的年齡是多少，這取決于哈勃常數(shù)H的大小。最初哈勃常數(shù)僅500（公里／秒／百萬(wàn)秒差距），這樣算出的宇宙年齡比地球的45億年的年齡小很多。以后改為50～100之間。
??若取100，宇宙的年齡只有100億年，而銀河系的球狀星團(tuán)的年齡是150億年，矛盾很大。若取50，宇宙年齡為200億年，矛盾不那么明顯，因此被大爆炸宇宙論者所贊同，但在觀測(cè)上，這個(gè)數(shù)值有些勉強(qiáng)。究竟是多少，一直沒(méi)有定論。近年來(lái)用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的結(jié)果傾向于取80。
??這樣算出的年齡為120億年，矛盾還很明顯。宇宙將來(lái)是一直膨脹下去還是又收縮回來(lái)，這要取決于宇宙的平均密度。而宇宙平均密度究竟是多少目前還不能確定，因?yàn)橛^測(cè)的距離越遠(yuǎn)，平均密度越小，下限有沒(méi)有還不能確定。1965年發(fā)現(xiàn)了宇宙空間的2。7K微波背景輻射，被大爆炸論者解釋為大爆炸時(shí)期的光經(jīng)過(guò)上百億年后的遺跡，是大爆炸宇宙的一大證據(jù)，但這種解釋并不是唯一的，因?yàn)橛钪婵臻g中充滿介質(zhì)，2。
??7K微波背景輻射具有黑體輻射的性質(zhì)，可以解釋為宇宙空間中介質(zhì)發(fā)出的溫度是2。7K的熱輻射。
仔細(xì)分析起來(lái)，問(wèn)題可能出在將光譜線的紅移都解釋為星系運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)上。過(guò)去，人們?cè)枚嗥绽招?yīng)解釋了銀河系內(nèi)恒星的光譜線移動(dòng)，從而成功地確定了星系內(nèi)存在自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
??但現(xiàn)在天文觀測(cè)中卻發(fā)現(xiàn)一些紅移現(xiàn)象，若用運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)解釋就存在許多困難，這促使人們考慮到必然還有其他機(jī)制能產(chǎn)生紅移，這里列舉幾種觀測(cè)結(jié)果。
①多普勒效應(yīng)對(duì)同一個(gè)天體，其紅移量與光譜線的頻率無(wú)關(guān)，因此觀測(cè)每個(gè)星系中不同譜線的紅移量，比較它們是否一致，就是鑒別紅移是否由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的一種依據(jù)。
??如果一致，就表示有可能是由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的；如果不一致，就肯定它至少不完全是由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的。1949年威爾遜對(duì)星系NGC4151的觀測(cè)結(jié)果表明，雖然不同頻率的紅移量差別不大，但也超出了觀測(cè)的誤差范圍，頻率越高，紅移量越小。這樣至少可以認(rèn)為宇宙紅移不完全是由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的。
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②從太陽(yáng)中心到邊緣各點(diǎn)發(fā)出的同一種譜線，在扣除了各種已知的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)后，越靠近邊緣的地方紅移量越大，在太陽(yáng)半徑90％左右的地方，紅移量急劇增加。這意味著太陽(yáng)上還有某種未知的因素在產(chǎn)生紅移。
③先驅(qū)6號(hào)宇宙飛船發(fā)射的遙測(cè)信號(hào)中心頻率為2292兆赫，當(dāng)飛船繞到太陽(yáng)背面經(jīng)過(guò)太陽(yáng)邊緣時(shí)觀測(cè)到異常紅移現(xiàn)象。
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④類星體紅移量一般都很大，如果把這都?xì)w結(jié)為多普勒效應(yīng)，算出的距離一般在100百萬(wàn)秒差距以上。由此推算出它發(fā)出的總光能力為銀河系的100倍；射電能為銀河系的10萬(wàn)倍。
而由光變周期算出它的直徑只有一光年左右，這意味著類星體的輻射密度非常高，但目前一直找不到產(chǎn)生這樣高輻射密度的物理機(jī)制。
??有些天文學(xué)家認(rèn)為，類星體的紅移中至少有一部分不是由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的，因而類星體離我們的距離較現(xiàn)在推算的要近得多。
⑤星系、類星體相互之間都有成協(xié)的現(xiàn)象，即這些天體兩兩或更多相距較近并有物理聯(lián)系。觀測(cè)表明，有些成協(xié)天體間紅移值相差較大，有些類星體光譜中的吸收線與發(fā)射線互不相同，而且不同的吸收線有各不相同的紅移值，稱為多重紅移。
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既然這些紅移不能用多普勒效應(yīng)解釋，那么它產(chǎn)生的原因究竟是什么呢。光在發(fā)射時(shí)固然有許多因素影響它的頻率，但宇宙中這么多天體都如此有規(guī)律地只隨著遠(yuǎn)離我們的距離而變化，就難以理解了。光在它漫長(zhǎng)的傳播路徑上經(jīng)歷了幾億至上百億年的歲月，這期間必然比它在發(fā)射的一瞬間有更多的因素影響著它的頻率。
??現(xiàn)在人們了解到，在星系際空間中存在著星系際介質(zhì)，它的密度在10E-29克／立方厘米以下。成分與銀河系的大致相同。除了有能對(duì)星光產(chǎn)生可見(jiàn)效應(yīng)的星系際氣體、塵埃和固態(tài)物質(zhì)、低光度星體外，還有大量的基本粒子。
據(jù)估計(jì)，星系間基本粒子的質(zhì)量占了整個(gè)宇宙總質(zhì)量的絕大部分，它們是看不見(jiàn)的。
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光與介質(zhì)的相互作用是復(fù)雜的，介質(zhì)不僅能吸收光，還能再發(fā)射光；再發(fā)射的光，其頻率不僅僅只是原有的頻率，還有其他的頻率，只是在原有頻率及其附近強(qiáng)度最大。其實(shí)，人們?cè)缫咽熘庾釉趥鞑ミ^(guò)程中由于與介質(zhì)的相互作用會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變成低頻的光子。
??但過(guò)去人們認(rèn)為這只會(huì)使譜線衰減而不會(huì)產(chǎn)生紅移。
由惠更斯原理知道，波前上所有粒子產(chǎn)生的子波疊加后能形成具有新頻率的平面波。新產(chǎn)生的頻率疊加在原有頻率上的結(jié)果，不像通常認(rèn)為的那樣譜線會(huì)被平滑而消失，而是譜線被整體地移動(dòng)，在遠(yuǎn)距離傳播中，光的頻譜的變化就好像在譜卒域中傳播的波一樣。
??這里頻率域相當(dāng)于弦，光譜的強(qiáng)度相當(dāng)弦的振幅，一條譜線對(duì)應(yīng)于弦上的一個(gè)波峰，弦上波峰的傳播對(duì)應(yīng)于譜線在頻率域中傳播。這種新型的波叫頻域波。如果新產(chǎn)生的頻率電較原來(lái)頻率低的能量大于較原來(lái)頻率高的能量，頻域波向低頻端傳播，形成譜線紅移；反之，頻域波向高頻端傳播，形成譜線紫移。
??由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)知道，通?？偸堑皖l成分多于高頻成分，所以實(shí)際上常觀測(cè)到紅移。
星系際空間是充滿介質(zhì)的，星光必須通過(guò)介質(zhì)才能到達(dá)地球，所以光譜線必定會(huì)紅移，而且距離越遠(yuǎn)紅移量越大，這與哈勃公式是一致的。對(duì)宇宙紅移來(lái)說(shuō)，應(yīng)先扣除介質(zhì)產(chǎn)生的紅移效應(yīng)，剩余部分才可能解釋成多普勒效應(yīng)，這是處理觀測(cè)數(shù)據(jù)所必需的步驟。
??但以前在得出膨脹宇宙模型時(shí)，并沒(méi)有做這件工作，扣除后的結(jié)果無(wú)非是3種情況：①全部扣完，宇宙是穩(wěn)定的。②還有剩余，宇宙是膨脹的。不過(guò)，這時(shí)膨脹速度要比現(xiàn)在認(rèn)為的速度慢得多，宇宙的年齡也比現(xiàn)在算出的大許多。③是負(fù)值，宇宙正在收縮。由于我們目前對(duì)宇宙空間的情況了解甚少，雖然對(duì)地球上的介質(zhì)與波的相互作用知道一些，但畢竟對(duì)在星系際空間中實(shí)際發(fā)生的情況知道甚微，也許還有些重要的相互作用沒(méi)有認(rèn)識(shí)到，介質(zhì)產(chǎn)生紅移扣除的結(jié)果很難認(rèn)為是已經(jīng)完成。
??也許我們應(yīng)當(dāng)反過(guò)來(lái)，即從宇宙紅移來(lái)反推星系際介質(zhì)的情況，這是因?yàn)?，我們所看到的宇宙是有層次的，有行星、恒星、星團(tuán)、星系，星系團(tuán)，總星系等，它們的平均密度呈指數(shù)下降，這些都說(shuō)明宇宙是不均勻的。地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽(yáng)繞銀河系中心轉(zhuǎn)動(dòng)，銀河系繞本星系團(tuán)的中心轉(zhuǎn)動(dòng)，星系團(tuán)又繞以宇宙背景輻射所表征的經(jīng)過(guò)平均后的星系際空間的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，宇宙也不是各向同性的。
??這是我們所能看見(jiàn)的最遠(yuǎn)的宇宙的情況。
大家知道。對(duì)于一個(gè)引力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只有具有一定的角動(dòng)量（旋轉(zhuǎn)）才可能維持比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。因此，我們觀察到的宇宙是比較穩(wěn)定的，可以認(rèn)為宇宙紅移主要是光通過(guò)星系際介質(zhì)時(shí)的頻域波。正如上面談到的，宇宙是膨脹的，穩(wěn)定的還是收縮的，要扣除星系際介質(zhì)的效應(yīng)后才能確定。
??而扣除介質(zhì)的效應(yīng)需要對(duì)星系際介質(zhì)有較詳細(xì)的了解，這在目前還難以做到。也許應(yīng)該從我們所觀測(cè)到的宇宙是較穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)出發(fā)，用紅移資料來(lái)反推介質(zhì)的情況。人類就是這樣在不斷探索中來(lái)認(rèn)識(shí)宇宙的。