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宇宙加速膨胀如何被发现?动力又是什么?

了解宇宙大爆炸理论的伙伴们一定知道,我们的宇宙一直在不断膨胀…

了解宇宙大爆炸理论的伙伴们一定知道,我们的宇宙一直在不断膨胀中。或许宇宙大爆炸理论最终被证实是错误的理解,但宇宙膨胀却是现实存在的,科学家们确实发现了宇宙一直在膨胀,而且在一百年前的20世纪20年代就已经发现了。

从20世纪20年代开始,埃德温·哈勃利用威尔逊山上的100英寸望远镜,利用宿星变星作为距离指标测量星系距离。哈勃还研究了星系的光谱,发现除了最近的星系外,其他星系的光谱都有多普勒红移。多普勒红移告诉我们,一个天文物体正在远离我们。较大的红移表示较大的衰退速度,或移动速度更快的物体。

哈勃绘制星系的衰退速度与距离时,他发现了一个线性关系。更遥远的星系似乎正以更快的速度离我们远去。天文学家称这张图为哈勃图或哈勃定律。

哈勃随后推断出造成这种影响的原因:宇宙正在膨胀。哈勃图的斜率称为哈勃常数,它能告诉天文学家宇宙膨胀的速度,使天文学家能够在宇宙大爆炸模型的背景下计算出宇宙的年龄。天文学家还利用哈勃定律计算距离我们非常遥远的星系距离,从它们测得它们的红移。

那么哈勃是如何确定遥远星系在快速远离地球的呢?根据一个著名的效应:多普勒效应。

先举个简单的例子。很多人都坐过火车,火车快要进站时会鸣笛,在鸣笛时,细心的伙伴们可能就会注意到,火车的鸣笛声会非常尖锐。而当火车驶离站台时,火车的鸣笛声会变得非常低沉。

 

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同样的鸣笛,我们听起来为何有如此大的差异呢?

这是因为火车在驶向我们时,声音频率会变高(波长变短),因此听起来非常尖锐。当火车驶离我们时,声音频率会变低,就会变得比较低沉。

实际上这就是“多普勒效应”的一种体现。同样地,光波也具有这种特性,当光源不断靠近我们,光的波长就会变短(频率变高),发生蓝移。当光源远离我们,光的波长就会变长(频率变低),发生红移。

 

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而哈勃在观察遥远星系时,观测到遥远星系发出的光发生了红移,这表明星系正在远离地球。而且远离的速度越来越快,著名的“哈勃定律”也因此被提出来。

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哈勃的发现震惊了物理学界,因为在人们传统观念里,我们的宇宙应该是静态的,但哈勃发现的红移现象彻底打破了人们的传统认知,表明了宇宙一直在膨胀中。

那么既然宇宙在膨胀,为何我们感觉不到宇宙的膨胀呢?这很好理解,举个例子,我们都知道地球是圆的,但为何我们看到的地面是平的呢?

我们生活的空间太狭小了,这也造成了很多认知上的局限性。宇宙的膨胀体现在更大的宏观尺度上,这种尺度比太阳系还要大,通常情况下,是以星系为前提的。

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科学家们还预测,随着宇宙膨胀不断加剧,膨胀的尺度也会从星系逐渐缩小,以至于到后来太阳系也会发生明显的膨胀,接下来是行星,我们人体,甚至分子,原子也会发生膨胀,最终被彻底撕裂,那时候就宣告宇宙的死亡。

那么,宇宙为什么会膨胀呢?

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科学界的主流认识是,一种叫作“暗能量”的东西主宰着宇宙的膨胀,科学家并不太了解暗能量,否则就不会叫这个名字了。从目前的探索发现来看,暗能量更像是一种不断衍生出来的虚空能量,这种虚空状态让星系远离彼此,加剧了宇宙的膨胀。

哈勃图的斜率告诉了天文学家宇宙膨胀的速度。坡度越陡,宇宙膨胀得越快。此斜率只是一种大致估计,并不能完全的随着时间进行恒定。2011年诺贝尔物理学奖授予给了索尔·珀尔穆特、布赖恩·施密特和亚当·里斯,因为他们发现了宇宙正在加速膨胀的速度。但是如果用它来计算遥远星系的速度,那么这个结果与哈勃图的斜率数是有所不同的。

宇宙膨胀的速度正在加快,但单个星系并没有加速。天文学家不知道是什么原因导致了这种加速。他们称之为”暗能量”,但他们也不知道暗能量到底是什么。

天文学家们知道宇宙正在膨胀,因为哈勃观测到更遥远的星系有较大的衰退速度。宇宙正在膨胀的事实并不要求宇宙有一个中心点或中心质量。天文学家观测到单个星系的衰退速度没有变化;因此,单个星系没有加速。但是,整个宇宙的膨胀速度正在加快。

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