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第8章 膨胀的宇宙1（第2页）

在20年代，当天文学家开始观察其他星系中的恒星光谱时，他们发现了某些最奇异的现象：它们和我们的银河系一样具有吸收的特征线族，只是所有这些线族都向光谱的红端移动了同样的相对量。

为了理解其含意，我们必须首先理解多普勒效应。

正如我们已经看到的，可见光由电磁场的起伏或波动构成。

光的波长（或者相邻波峰之间的距离）极其微小，约为0.0000004至0.0000008米。

光的不同波长正是人眼看成不同颜色的东西，最长的波长出现在光谱的红端，而最短的波长在光谱的蓝端。

现在想像在离开我们固定的距离处有一个光源——例如一颗恒星——以固定的波长发出光波。

显然，我们接收到的波长和发射时的波长一样（星系的引力场没有强到足以对它产生明显的效应）。

现在假定这恒星光源开始向我们运动。

当光源发出第二个波峰时，它离开我们较近一些，这样两个波峰之间的距离比恒星静止时较小。

这意味着，我们接收到的波的波长比恒星静止时较短。

相应地，如果光源离开我们运动，我们接收的波的波长将较长。

这意味着，当恒星离开我们而去时，它们的光谱向红端移动（红移），而当恒星趋近我们而来时，光谱则被蓝移。

这个称作多普勒效应的频率和速度的关系是我们日常熟悉的。

例如听一辆小汽车在路上驶过：当它趋近时，它的发动机的音调变高（对应于声波的短波长和高频率）；当它经过我们身边而离开时，它的音调变低。

光波或射电波的行为与之类似。

警察就是利用多普勒效应的原理，靠测量射电波脉冲从车上反射回来的波长来测定车速。

在哈勃证明了其他星系存在之后的几年里，他花时间为它们的距离编目以及观察它们的光谱。

那时候大部分人都以为，这些星系完全随机运动，所以预料会发现和红移光谱一样多的蓝移光谱。

因此，当他发现大部分星系是红移的：几乎所有都远离我们而去时，确实令人十分惊异！

1929年哈勃发表的结果更令人惊异：甚至星系红移的大小也不是随机的，而是和星系离开我们的距离成正比。

或换句话讲，星系越远，它离开我们运动得越快！

这表明宇宙不能像人们原先所想像的那样处于静态，而实际上是在膨胀；不同星系之间的距离一直在增加着。

宇宙膨胀的发现是20世纪最伟大的智力革命之一。

事后想起来，何以过去从来没有人想到这一点？！

牛顿或其他人早就应该意识到，静态的宇宙在引力的影响下会很快开始收缩。

然而现在假定宇宙正在膨胀，如果它膨胀得相当慢，引力就会使之最终停止膨胀，然后开始收缩。

但是，如果它以比某一临界率更大的速度膨胀，引力则永远不足够强到使它停止膨胀，宇宙就永远继续膨胀下去。

这有点像当一个人在地球表面引燃火箭上天时发生的情形，如果火箭的速度相当小，引力将最终使火箭停止并折回地面；另一方面，如果火箭具有比某一临界值（大约每秒7英里）更大的速度，引力的强度就不足以将其拉回，这样它将继续永远飞离地球。

19世纪、18世纪甚至17世纪晚期的任何时候，人们都可以从牛顿的引力论预言出宇宙的这个行为。

然而，静态宇宙的信念是如此之强，以至于一直维持到了20世纪的早期。

甚至爱因斯坦于1915年发表其广义相对论时，还是这么肯定宇宙必须是静态的，以至于他在其方程中引进一个所谓的宇宙常数来修正自己的理论，使静态的宇宙成为可能。

爱因斯坦引入一个新的“反引力”

，这力不像其他力那样，不由任何特别的源引起，而恰恰是时空结构固有的。

他宣称，时空有一内在的膨胀的趋向，这可以用来刚好去平衡宇宙间所有物质的相互吸引，由此导致一个静态的宇宙。

当爱因斯坦和其他物理学家正在想方设法避免广义相对论的非静态宇宙的预言时，看来只有一个人，即俄国物理学家和数学家亚历山大·弗里德曼愿意只用广义相对论着手解释它。

弗里德曼对于宇宙作了两个非常简单的假定：我们不论往哪个方向看，也不论在任何地方进行观察，宇宙看起来都是一样的。

弗里德曼指出，仅仅从这两个观念出发，我们就应该预料宇宙不是静态的。

事实上，弗里德曼在1922年所做的预言，正是几年之后埃德温·哈勃观察到的结果。

很清楚，关于宇宙在任何方向上都显得一样的假设，实际上是不对的。