碟狀結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子,便是今天我們叫做螺旋星系的東西。只有在幾十年之后,天文學(xué)家威廉·赫歇爾爵士才非常精心地對(duì)大量的恒星的位置和距離進(jìn)行編目分類,從而證實(shí)了自己的觀念。即便如此,這個(gè)思想在本世紀(jì)初才完全被人們接受。
1924年,我們現(xiàn)代的宇宙圖象才被奠定。那是因?yàn)槊绹煳膶W(xué)家埃得溫·哈勃證明了,我們的星系不是唯一的星系。事實(shí)上,還存在許多其他的星系,在它們之間是巨大的空虛的太空。為了證明這些|qi-shu-wang|,他必須確定這些星系的距離。這些星系是如此之遙遠(yuǎn),不像鄰近的恒星那樣,它們確實(shí)顯得是固定不動(dòng)的。所以哈勃被迫用間接的手段去測(cè)量這些距離。眾所周知,恒星的表觀亮度決定于兩個(gè)因素:多少光被輻射出來(它的絕對(duì)星等)以及它離我們多遠(yuǎn)。對(duì)于近處的恒星,我們可以測(cè)量其表觀亮度和距離,這樣我們可以算出它的絕對(duì)亮度。相反,如果我們知道其他星系中恒星的絕對(duì)亮度,我們可用測(cè)量它們的表觀亮度的方法來算出它們的距離。哈勃注意到,當(dāng)某些類型的恒星近到足夠能被我們測(cè)量時(shí),它們有相同的絕對(duì)光度;所以他提出,如果我們?cè)谄渌窍嫡页鲞@樣的恒星,我們可以假定它們有同樣的絕對(duì)光度——這樣就可計(jì)算出那個(gè)星系的距離。如果我們能對(duì)同一星系中的許多恒星這樣做,并且計(jì)算結(jié)果總是給出相同的距離,則我們對(duì)自己的估計(jì)就會(huì)有相當(dāng)?shù)男刨嚩取?
埃得溫·哈勃用上述方法算出了九個(gè)不同星系的距離。現(xiàn)在我們知道,我們的星系只是用現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡可以看到的幾千億個(gè)星系中的一個(gè),每個(gè)星系本身都包含有幾千億顆恒星。圖所示的便是一個(gè)螺旋星系的圖,從生活在其他星系中的人來看我們的星系,想必也是類似這個(gè)樣子。我們生活在一個(gè)寬約為10萬光年并慢慢旋轉(zhuǎn)著的星系中;在它的螺旋臂上的恒星繞著它的中心公轉(zhuǎn)一圈大約花幾億年。我們的太陽只不過是一個(gè)平常的、平均大小的、黃色的恒星,它靠近在一個(gè)螺旋臂的內(nèi)邊緣。我們離開亞里士多德和托勒密的觀念肯定是相當(dāng)遙遠(yuǎn)了,那時(shí)我們認(rèn)為地球是宇宙的中心!
圖
恒星離開我們是如此之遠(yuǎn),以致使我們只能看到極小的光點(diǎn),而看不到它們的大小和形狀。這樣怎么能區(qū)分不同的恒星種類呢?對(duì)于絕大多數(shù)的恒星,只有一個(gè)特征可供觀測(cè)——光的顏色。牛頓發(fā)現(xiàn),如果太陽光通過一個(gè)稱為棱鏡的三角形狀的玻璃塊,就會(huì)被分解成像彩虹一樣的分顏色(它的光譜)。將一個(gè)望遠(yuǎn)鏡聚焦在一個(gè)單獨(dú)的恒星或星系上,人們就可類似地觀察到從這恒星或星系來的光譜線。不同的恒星具有不同的光譜,但是不同顏色的相對(duì)亮度總是剛好和一個(gè)紅熱的物體發(fā)出的光譜完全一致。(實(shí)際上,從一個(gè)不透明的灼熱的物體發(fā)出的光,有一個(gè)只依賴于它的溫度的特征光譜——熱譜。這意味著可以從恒星的光譜得知它的溫度。)并且,我們發(fā)現(xiàn),某些非常特定的顏色在恒星光譜里找不到,這些失去的譜線可以因不同的恒星而異。既然我們知道,每一化學(xué)元素都有非常獨(dú)特的吸收光譜線族,將它們和恒星光譜中失去的譜線相比較,我們就可以準(zhǔn)確地確定恒星大氣中存在什么元素。
在20年代天文學(xué)家開始觀察其他星系中的恒星光譜時(shí),他們發(fā)現(xiàn)了最奇異的現(xiàn)象:它們和我們的銀河系一樣具有吸收的特征線族,只是所有這些線族都向光譜的紅端移動(dòng)了同樣相對(duì)的量。為了理解這個(gè)含意,我們必須先理解多普勒效應(yīng)。我們已經(jīng)知道,可見光即是電磁場(chǎng)的起伏或波動(dòng)。光的波長(或者相鄰波峰之間的距離)極其微小,約為至米。
光的不同波長正是人眼看到的不同顏色,最長的波長出現(xiàn)在光譜的紅端,而最短的波長在光譜的藍(lán)端。想像在離開我們一個(gè)固定的距離處有一光源——例如恒星——以固定的波長發(fā)出光波。顯然我們接收到的波長和發(fā)射時(shí)的波長一樣(星系的引力場(chǎng)沒有強(qiáng)到足以對(duì)它產(chǎn)生明顯的效應(yīng))。現(xiàn)在假定這恒星光源開始向我們運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光源發(fā)出第二個(gè)波峰時(shí),它離開我們更近一些,這樣兩個(gè)波峰之間的距離比恒星靜止時(shí)更小。這意味著,我們接收到的波的波長比恒星靜止時(shí)更短。相應(yīng)地,如果光源離開我們運(yùn)動(dòng),我們接收的波的波長將更長。這意味著,當(dāng)恒星離開我們而去時(shí),它們的光譜向紅端移動(dòng)(紅移);而當(dāng)恒星趨近我們而來時(shí),光譜則藍(lán)移。這個(gè)稱之為多普勒效應(yīng)的頻率和速度的關(guān)系是我們?nèi)粘K煜さ模缥覀兟犅飞蟻硗∑嚨穆曇簦寒?dāng)它開過來時(shí),它的發(fā)動(dòng)機(jī)的音調(diào)變高(對(duì)應(yīng)于聲波的高頻率);當(dāng)它通過我們身邊而離開時(shí),它的音調(diào)變低。光波或無線電波的行為與之類似。警察就是利用多普勒效應(yīng)的原理,以無線電波脈沖從車上反射回來的頻率來測(cè)量車速。
在哈勃證明了其他星系存在之后的幾年里,他花時(shí)間為它們的距離以及觀察到的光譜分類。那時(shí)候大部份人相信,這些星系的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)紊亂,所以預(yù)料會(huì)發(fā)現(xiàn)和紅移光譜一樣多的藍(lán)移光譜。但是,十分令人驚異的是,他發(fā)現(xiàn)大部份星系是紅移的——幾乎所有都遠(yuǎn)離我們而去!更驚異的是1929年哈勃發(fā)表的結(jié)果:甚至星系紅移的大小也不是雜亂無章的,而是和星系離開我們的距離成正比。換句話講,星系越遠(yuǎn),則它離開我們運(yùn)動(dòng)得越快!這表明宇宙不可能像原先人們所想像的那樣處于靜態(tài),而實(shí)際上是在膨脹;不同星系之間的距離一直在增加著。
宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)最偉大的智慧革命之一。事后想起來,何以過去從來沒有人想到這一點(diǎn)?!牛頓或其他人應(yīng)該會(huì)意識(shí)到,靜態(tài)的宇宙在引力的影響下會(huì)很快開始收縮。然而現(xiàn)在假定宇宙正在膨脹,如果它膨脹得相當(dāng)慢,引力會(huì)使之最終停止膨脹,然后開始收縮。但是,如果它膨脹得比某一臨界速率更快,引力則永遠(yuǎn)不足夠強(qiáng)而使其膨脹停止,宇宙就永遠(yuǎn)繼續(xù)膨脹下去。這有點(diǎn)像一個(gè)人在地球表面引燃火箭上天時(shí)發(fā)生的情形,如果火箭的速度相當(dāng)慢,引力將最終使之停止并折回地面;另一方面,如果火箭具有比某一臨界值(大約每秒7英里)更高的速度,引力的強(qiáng)度不足以將其拉回,所以它將繼續(xù)永遠(yuǎn)飛離地球。19世紀(jì)、18世紀(jì)甚至17世紀(jì)晚期的任何時(shí)候,人們都可以從牛頓的引力論預(yù)言出宇宙的這個(gè)行為。然而,靜態(tài)宇宙的信念是如此之強(qiáng),以至于一直維持到了20世紀(jì)的早期。甚至愛因斯坦于1915年發(fā)表其廣義相對(duì)論時(shí),還是如此之肯定宇宙必須是靜態(tài)的,以使得他在其方程中不得不引進(jìn)一個(gè)所謂的宇宙常數(shù)來修正自己的理論,使靜態(tài)的宇宙成為可能。愛因斯坦引入一個(gè)新的“反引力”,這力不像其他的力那樣,不發(fā)源于任何特別的源,而是空間——時(shí)間結(jié)構(gòu)所固有的。他宣稱,空間——時(shí)間有一內(nèi)在的膨脹的趨向,這可以用來剛好去平衡宇宙間所有物質(zhì)的相互吸引,結(jié)果使宇宙成為靜態(tài)的。當(dāng)愛因斯坦和其他物理學(xué)家正在想方設(shè)法避免廣義相對(duì)論的非靜態(tài)宇宙的預(yù)言時(shí),看來只有一個(gè)人,即俄國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家亞歷山大·弗利德曼愿意只用廣義相對(duì)論著手解釋它。
弗利德曼對(duì)于宇宙作了兩個(gè)非常簡單的假定:我們不論往哪個(gè)方向看,也不論在任何地方進(jìn)行觀察,宇宙看起來都是一樣的。弗利德曼指出,僅僅從這兩個(gè)觀念出發(fā),我們就應(yīng)該預(yù)料宇宙不是靜態(tài)的。事實(shí)上,弗利德曼在1922年所做的預(yù)言,正是幾年之后埃得溫·哈勃所觀察到的結(jié)果。
很清楚,關(guān)于在任何方向上宇宙都顯得是一樣的假設(shè)實(shí)際上是不對(duì)的。例如,正如我們所看到的,我們星系中的其他恒星形成了橫貫夜空的叫做銀河系的光帶。但是如果看得更遠(yuǎn),星系數(shù)目就或多或少顯得是同樣的。所以假定我們?cè)诒刃窍甸g距離更大的尺度下來觀察,而不管在小尺度下的差異,則宇宙確實(shí)在所有的方向看起來是大致一樣的。在很長的時(shí)間里,這為弗利德曼的假設(shè)——作為實(shí)際宇宙的粗糙近似提供了充分的證實(shí)。但是,近世出現(xiàn)的一樁幸運(yùn)的事件所揭示的事實(shí)說明了,弗利德曼假設(shè)實(shí)際上異常準(zhǔn)確地描述了我們的宇宙。
1965年,美國新澤西州貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜正在檢測(cè)一個(gè)非常靈敏的微波探測(cè)器時(shí)(微波正如光波,但是它的波長大約為1英寸),他們的檢測(cè)器收到了比預(yù)想的還要大的噪聲。彭齊亞斯和威爾遜為此而憂慮,這噪聲不像是從任何特別方向來的。首先他們?cè)谔綔y(cè)器上發(fā)現(xiàn)了鳥糞并檢查了其他可能的故障,但很快就排除了這些可能性。他們知道,當(dāng)探測(cè)器傾斜地指向天空時(shí),從大氣層里來的噪聲應(yīng)該比原先垂直指向時(shí)更強(qiáng),因?yàn)楣饩€在沿著靠近地平線方向比在頭頂方向要穿過更厚的大氣。然而,不管探測(cè)器朝什么方向,這額外的噪聲都是一樣的,所以它必須是從大氣層以外來的,并且在白天、夜晚、整年,也就是甚至地球繞著自己的軸自轉(zhuǎn)或繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)也是一樣的。這表明,這輻射必須來自太陽系以外,甚至星系之外,否則當(dāng)?shù)厍虻倪\(yùn)動(dòng)使探測(cè)器指向不同方向時(shí),噪聲必須變化。
事實(shí)上,我們知道這輻射必須穿過我們可觀察到的宇宙的大部分,并且由于它在不同方向都一樣,至少在大尺度下,這宇宙也必須是各向同性的。
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