宇宙膨胀的证据

放射波的星系时，他们看到在可 见光的波长段是相对圆的恒星 体系。而另一方面，遥远的放射 星系好像有被拉长的趋势，而有 时它是不规则的结构。此外，在 大多数遥远的放射星系中，不像 那些附近的星系那样，光的分布 趋于同辐射的发射方式相匹配。 同样，当天文学家研究巨大 的、密集的星系团时，他们发现 了那些附近的和那些遥远的之 间的不同。遥远的星团包含有偏 蓝的星系，以显示恒星正在形成 的证据。用哈勃太空望远镜进行 的观察证实至少在这些年轻的 星团中，有一些恒星的形成可能 是它们成员星系之间碰撞的结 果，这是在当前时代非常少见的 一种过程。 因此，如果星系一直都在互 相远离，并早已开始，那么它们 曾经集中在某个密集的物质与 能量的海洋中似乎就是合乎逻 辑的。 确实， 在 03"2 年， 当人们对 遥远的星系还知道不多时，一位 比利时天文学家就提出，宇宙的 膨胀可能追溯到一个极端的密 集状态，他称之为原始的 “ 超原 子” 。他认为， 甚至现在还可能探 测来自这种原始原子的残余辐 射。但是这种辐射特征看起来会 像什么样呢6
冲击与希望 %&’ 研究：
! 孙凤武
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成冠伦 !
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不久有消息报道， 世界上最大的不明飞行物研究机构—— — 英 国飞碟研究所宣布关闭。关闭的主要原由是， 近年来世界各 地发现不明飞行物的案例日渐稀少， 众多的研究人员无事可 干。该机构不得不宣布解散。这里我们不考虑经济因素， 其实飞碟研 究是有许多事情要做的。对于 %&’ 的研究，更多的是民间组织进行 的， 为数不多的官方研究机构应该发挥更大的作用。 面对着有数十年出没历史的不明飞行物现象，人们一直想揭开 这个谜底： 人类数十年来看到的不明飞行物究竟是什么( 有一点现在 应该肯定， 众多的不明飞行物现象， 有其各种各样的原因， 并不只是 有一个答案。 因此，%&’ 研究的第一个任务就是对形形色色的 %&’ 现象进行 分类， 进行甄别。 观察到的 %&’ 情况不同， 环境不同， 其谜底也不同。 有的可以认为是自然现象；有的可以认为是人造飞行器带来的错觉； 但是，更多的可能还是另一种更为智慧的生物和星球所造成的现象； 当然也可能是一种未知的神秘的自然现象所造成的。不管怎样想像， 你确实不知道主要的谜底是什么。通过研究和甄别， 研究者筛掉现在
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当宇宙非常年轻并非常热的 时候，辐射不可能跑得很远而不 被某种粒子吸收或放射。这种持 续的能量交换维持了一种热平衡 的状态：任何特别区域不可能比 平均值更热或更冷得多。当物质 和能量停留在这种状态，其结果 就是所谓的热频谱，其中在每个 波长辐射的强度就是温度的一种 确切作用。因此，来源于大爆炸 的辐射由于其频谱而受到承认。 实际上，这种宇宙背景热辐 射早已被探测到。宇宙背景辐射 有两个明显的特性： 首先， 它在各 个方向是近乎相同的， 其解释是， 辐射均匀地充满了太空，如在大 爆炸宇宙论中所预言的那样；其 次，它的频谱非常接近一个处于 ) "*#+ 热平衡中的一个天体。 固然，宇宙背景辐射是当宇宙远 远高于 ) "*#+ 时产生的， 但是研 究人员正确地预测到辐射的表面 温度较低。 宇宙背景辐射提供了直接的 证据， 宇宙的确是从一个密集的、 炽热的状态膨胀的，因为这是产 生辐射需要的条件。在密集、炽 热的早期宇宙中，热核反应产生 了比氢重的元素，包括氘、氦、 锂。令人吃惊的是，估算的轻元 素的混合物与所观察到的量一 致。也就是说， 所有证据显示， 轻 元素产生于炽热的、 早期的宇宙， 而重元素作为向恒星提供能量的 热核反应的产物出现较晚。 对于出现于第二次世界大战 后研究轻元素来源的理论， 盖莫、 乔治・华盛顿大学的研究生拉尔 夫・阿尔佛、约翰斯・霍普金斯 大学应用物理实验室的罗伯特・ 赫尔曼和其他人使用来自战争成 果的核物理数据，预言在早期的 宇宙中可能出现过的核过程，以 及可能产生过的元素。阿尔佛和 赫尔曼还认识到，最初的膨胀在 现存的宇宙中仍然是可以察觉 的。
宇宙膨胀的证据
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宙膨胀的证据已经积累 了六十多年。第一个重 要的线索是红移。如果 一个星系发射或吸收某些光的波 长比其他星系强烈得多，而这个 星系又正在远离我们，这些发射 或吸收的光的特点是向较长的波 长偏移—— — 即当后退的速度增大 时， 它们会变得较红， 这种现象被 称为红移。 哈勃的测量表明，一个遥远 星系的红移比一个靠近地球的星 系的红移要大得多。这种关系现 在被称为哈勃定律，就是在一个 均匀膨胀的宇宙中所企盼的。哈 勃定律认为，一个星系的后退速 度等于其距离乘以哈勃常数。而 在附近星系中的红移效应相对来 说是微小的，需要良好的测试设 备来探测。相反，非常遥远的天 体—— — 放射性星系或类星体的红 移，是可怕的现象。有一些星系 好 像 正 以 大 于 %#& 光 速 的 速 度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
碟探索
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已知化学元素的年龄大约也是 — 来自用放射性确定 0!# 亿年—— 年代的一个数字。实验室中的工 作人员已经从原子物理和核物 理中导出了这些年龄的估计值。 他们的结果同天文学家通过测 量宇宙膨胀而导出的年龄至少 是近似的，这一点，是值得注意 的。 另外一种理论，稳定状态理 论—— — 在说明宇宙的膨胀和均匀 性中也是成功的。 0345 年英国的 三位物理学家提出了一种理论： 宇宙永远是在膨胀的，同时物质 被创造出来填补真空。他们提 出，当这种物质积累起来，就会 形成新的恒星取代老的。这种稳 定状态假设，靠近我们的星系群 应当在统计学上看起来与那些 遥远的相同。大爆炸宇宙论做了 一种不同的预言：如果星系都是 很久以前形成的，远处的星系应 当看起来比近处的年轻，因为光 从远处的星系到达我们这里需 要较长的时间。这种星系应当含 有更多的短寿命恒星和更多的 可形成未来恒星的气体。 这种检验从概念上讲是简 单的，但它花费了天文学家几十 年的时间以研制足够灵敏的探 测器来详细研究遥远的星系。当 天文学家们检验附近发射强力
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远离我们。哈勃提供了这幅图画 的另一个关键部分。他计算了天 空中不同方向的可见星系的数 量，发现它们相当均匀地分布 着。哈勃常数的值在各个方向似 乎都是相同的，这是宇宙均匀膨 胀的一个必然结果。现代观测进 一步证实了宇宙是广泛均匀的基 本原则。虽然附近星系的分布图 显示它们是密集的云团，但更深 入的观测显示了宇宙相当大的程 度上的均匀性。 例如，银河位于两打星系的 焦点上，这些星系是附近的超级 星团突出的一个星系群的一部 分。整个集结的体系有大约 ’ 亿 光年大小。当正被探测的结构的 规模增大时，在物质平均密度中 的波动就会减小。在覆盖接近观 测极限的图中，物质的平均密度 的变化小于千分之一。 为了检验哈勃定律，天文学 家需要测量星系的距离。测量距
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在 "# 世纪 /# 年代，天文学家已 发现了一打还多的万有引力透 镜现象。这些透镜后面的天体总 是被发现其红移比透镜本身的 大，这证实了哈勃定律的定性论 断。 哈勃定律具有重大的现实 意义，不仅因为它描述了宇宙的 膨胀，还因为它能用来计算宇宙 的年龄。确切地讲，自大爆炸以 来逝去的时间，就是哈勃常数目 前值和其变化速度的一个作用。 天文学家们已确定了膨胀的大 致速度，还没有人能够更加精确 地测量这个值。 但人们仍然可以从宇宙平 均密度的知识估计这个量。人们 认为，因为重力施加一个与膨胀 相反的力，星系现在会比过去分 离得较慢。膨胀中的变化速度因 此与由其平均密度确定的宇宙 的万有引力有关。如果这个密度 恰恰是星系及其周围的那些可 见物质的密度，那么宇宙的年龄 可 能 在 0"# 亿 年 1 "## 亿 年 之 间。当然，这个范围考虑到膨胀 速度中的不确定性。 但是很多研究人员认为，宇 宙已足够密，因而在遥远的将来 此速度会减慢至几乎接近零。在 这种假定下， 宇宙的年龄减至 2# 亿年 1 0$# 亿年。 为了改进这个数值，许多天 文学家致力于深入的研究来测 量星系之间的距离和宇宙的密 度。可以说，对膨胀时间的估计 为宇宙大爆炸的模型提供了一 个重要的检验。如果这个理论是 正确的，那么宇宙中的一切东西 都应该比使用哈勃定律计算出 的膨胀时间要年轻。 这两个时间量程的确是大 致一致的。例如，在银河系中最 古老的恒星大约为 3# 亿年—— — 从白矮星的冷却速度中导出的 一个估计值。在银河系边缘的一 些恒星还要老一些，大约 0!# 亿 年—— — 从这些恒星核心的原子消 耗速度导出的一个值。最古老的
离的一种办法就是观测一个星系 的外表亮度。如果在地球观测到 一个星系在夜空中是另外一个可 比较星系的 ( ) ! 的亮度，那么可 以估计它到地球的距离是另一个 星系与地球距离的两倍远。这种 结论，已在整个可观察到的距离 范围内得到验证。 但是， 一些批评 家指出， 一个看来好像较小、 较暗 的星系可能并不真正更远。幸运 的是， 有一个直接的迹象， 即天体 的红移越大，它离地球确实越 远。这个证据来自一个被称为万 有引力透镜效应的观察。一个巨 大而密集的天体可以起到一个粗 糙的透镜的作用，产生一个位于 它后面的任何背景辐射源的变形 的、放大的图像 * 或甚至许多图 像+。 这样的天体是通过弯曲光线 与其他电磁辐射的途径来起作用 的。 因此， 如果一个星系位于地球 与某个天体之间的观测途径上， 它就会弯曲来自该天体的光线。