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![哈勃红移为啥会成为宇宙中最长的量天尺?插图1 哈勃红移为啥会成为宇宙中最长的量天尺?](https://yundeesoft.com/wp-content/uploads/2022/11/2022112316405970.jpg)
所谓哈勃红移,是指光的多普勒效应和时空膨胀效应综合产生的一种现象。
现在可以认定的是,大爆炸宇宙论是从1922年开始萌芽起来的。
因为就是这一年,著名的天文学家、物理学家埃德温·哈勃开始注意到宇宙天体红移现象,这是一个惊天的突破。
这个突破预示着宇宙有一个大爆炸时刻,从那个时间开始,宇宙就一直在膨胀。
由此,一直以来科学界普遍认同的静态宇宙论破产了。这个学说认为,宇宙天体虽然遵循规律不断运动着,但宇宙本身是无边无际无始无终,一直就是这个样子,没有什么变化的。
哥白尼、伽利略、牛顿等科学大师们从来也没有怀疑这一点。
就连因发表相对论风靡世界的爱因斯坦也脱不了这个窠臼。他的引力场方程本来推断出宇宙是一个不断变化的过程,但为了迎合科学界一直以来坚持的静态宇宙观,只能在自己的场方程里加入了一个宇宙常数,以取得方程的平衡。
爱因斯坦后来验证了哈勃的宇宙学红移发现,承认自己受到传统观念禁锢,犯了错误。从此,取消了场方程中的宇宙常数。
其实导致当时科学界这种固执观念的主要根源,是对神创论批判产生的后遗症。因为宇宙有一个起点的说法与圣经说法类似,所以一旦有人提及此类问题,就会被认为是宗教神创论的死灰复燃。
用辩证唯物主义的说法就是在倒掉洗澡水时,把孩子也倒掉了。
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哈勃的发现宣告了静态宇宙观的终结。
科学就是科学,科学规律一旦被发现并被验证,就不以人的意志为转移,生命力越来越旺盛。
哈勃发现星系红移现象后,经过数年持之以恒的研究,得出了一个规律:不管从哪个方向看,远方的星系都是高速远离我们,各向同性,越远越快,速度和距离有线性关系。
这就意味着在昨天,星系之间的距离比今天更近一些;前天就更近一些,以此类推,若干亿年前,这些星系应该是挤在一起的,在最开始的时刻,所有的星系都聚集在一个零点。
这就蕴含着宇宙最早是一个奇点,是一个没有体积无限小的奇点。
为什么宇宙不会是一个较大的球膨胀开来,而是一个无限小的奇点呢?
这就涉及到引力场方程了。2016年,卡尔·史瓦西根据爱因斯坦场方程得到了一个精确解,它发现任何物体都有一个质量最小临界半径,物质一旦被压缩进这个半径,就会无限坍缩。
后来人们把这个半径用史瓦西的名字命名,叫史瓦西半径。这个半径大小与质量成正比,计算公式为:
R=2GM/C²
式中,R为史瓦西半径值;G为引力常量(6.67×10-^11N·m²/kg²);M为天体质量;C为光速。
因此凭着宇宙巨大质量,不可能是一个不大不小的球,在引力作用下,宇宙要么就是一个奇点,要么就是在巨大的能量催动下膨胀。
那么,宇宙学红移为什么会成为计算遥远星系距离的量天尺呢?
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这得从声波的多普勒效应说起。
声波的多普勒效应是在1942年,奥地利数学家、物理学家克里斯琴·多普勒·约翰发现的。
声波的多普勒效应许多人都有过体验,只不过一般人没把它往这个理论上联系罢了。
这个现象就是当同一个声源,在具有一定速度向我们靠近时,我们听到的声音会更尖锐;而以一定速度离去时,声音会变得更低沉。
比如我们日常听到的汽车、火车、救护车鸣笛声音,向着我们开过来时和离开时就不一样,就有这样的效应。
这是因为声源向我们靠拢时,波长和频率受到压缩,波长就会变短,频率就会变高;反之波长就会变长,频率变低,这样声音听起来就会有变化。
这里面有一个线性关系,靠近或远离的速度越快,声音变化得就越大。因此凭着这个规律就可以计算出声源靠近或远离的速度,或者知道靠近或远离的速度,就能够计算出声波的波长和频率。
这个关系表达式为:
f=(u+v)/λ(声源靠近)或f=(u-v)/λ(声源远离)
式中,f为接收到的频率(Hz),u为波速(m),v为观察者或波源移动速度(m),λ为原有波源波长。
![哈勃红移为啥会成为宇宙中最长的量天尺?插图7 哈勃红移为啥会成为宇宙中最长的量天尺?](https://yundeesoft.com/wp-content/uploads/2022/11/2022112316405970.jpg)
后来人们发现各种波都有多普勒效应,电磁波也不例外。
可见光是电磁波谱处于0.38~0.76μm波段的电磁波,当然也就有多普勒效应了。
这种效应的表现就是光谱的蓝移和红移。
可见光是一种复合光,其光谱显示出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种颜色,当复合光通过三棱镜时会发生色散,把这些颜色的光谱解析出来。其中,红光波长最长,约0.64~0.76μm;紫光波长最短,为0.38~0.44μm。
当光源快速移动或者观测者相对光源快速移动时,靠近时光波会变短、频率会提高,因此光谱会向蓝色端移动;反之光波会变长、频率会变低,光谱就向红色端移动。
通俗的说,如果太阳高速向我们靠拢时,我们看到的太阳就白得发蓝;反之太阳就会变红。
这就是所谓的蓝移或红移。
哈勃经过长期观测研究,发现远方的星系都在红移,从而确定它们都在远离我们而去,越远红移得越厉害,就说明离开我们的速度越快。
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根据星系离开速度与距离的线性关系,得出了哈勃定律。
哈勃定律表述为:v=Hd
式中,v为退行速度,单位:千米/秒(km/s);H为哈勃常数,单位:千米/秒·百万秒差距(km/s·Mpc);d为与观测者距离,单位:百万秒差距(Mpc)。
1个秒差距(pc)约3.26光年(ly),Mpc就是326万ly。
根据这个公式,我们变通一下,就能够得出远方星系与我们的距离,表达式调整为:
d=v/H
这样我们得到了星系的红移量,就能够计算出星系远离我们的速度,从而得到我们与这些天体的距离。
红移值用z表示,计算红移量大小的表达式为:
z=(λ-λ0)/λ0=(f0-f)/f
式中λ0为谱线本来的波长,λ为观测到的波长;f0为本来的频率,f为观测到的频率。
要计算出红移值z,就需要取得星系光谱本来波长和频率,找出特征谱线。这可以由测得的特征谱线所在波长λ和实验室中特征谱线波长对比,即可以得到该光谱是何种元素发出,从而得到λ0。
![哈勃红移为啥会成为宇宙中最长的量天尺?插图11 哈勃红移为啥会成为宇宙中最长的量天尺?](https://yundeesoft.com/wp-content/uploads/2022/11/2022112316405970.jpg)
根据得到的天体红移值,就能够计算出远方天体的退行速度。
星系退行速度与红移的关系为:
z=v/c
式中z为红移值,v为退行速度,c为光速。
因此退行速度为:v=cz
类星体3C273是迄今最明亮的类星体,其测得的红移值为0.158,根据这个红移值计算可得退行速度为47400km/s。
现在我们根据哈勃定律来计算3C273类星体与我们的距离有多远:
我们先要确定哈勃常数。哈勃常数是距离我们百万秒差距处星系离开我们的速度,科学界十几年来先后测得的哈勃常数平均值约75.1km/s/Mpc。
代入哈勃定律公式:
d=v/H=47400/75.1x≈20.6
3C273类星体距离我们约20.6亿光年。
![哈勃红移为啥会成为宇宙中最长的量天尺?插图13 哈勃红移为啥会成为宇宙中最长的量天尺?](https://yundeesoft.com/wp-content/uploads/2022/11/2022112316405970.jpg)
天体光谱红移这把量天尺虽然最长,但并不是最准。
人类现在已经发现130多亿光年距离的星系,这些发现都是探测到了那遥远的星光,只要有星光,就能够利用现代最精密的仪器得到其红移值。
有红移值,就能够计算出这个星系与我们的距离。
因此光谱红移是人类最长的量天尺。
但这把最长的量天尺,并不是最准确的尺子,因为其值受到遥远宇宙多种因素影响。
在宇宙空间,光谱红移本身也有三种,即多普勒红移、引力红移、宇宙学红移。
多普勒红移是指天体自行运动形成的光谱偏移现象;引力红移是大质量天体引力造成时空膨胀现象引起的光谱红移;宇宙学红移就是哈勃红移,是指宇宙膨胀导致的天体远离形成的光谱红移。
前面所说天体红移值主要就是哈勃红移值。这个红移值本身可能受到多普勒红移和引力红移的影响,有一定误差,需要综合起来考量。
因此,在测量遥远天体距离时,需要综合多种测距方式。
比如结合天体的光度,绝对星等与视星等换算、利用天体标准烛光这个标尺,如la超新星、造父变星等标准烛光综合考量等,才能够得出更为精准的距离值。
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