宇宙膨胀定律

第四章　宇宙膨胀定律

哈勃定律是科学史上最伟大的发现之一，它是《圣经·创世记》作为一个科学故事的主要支持。然而它又是一条神秘的定律，为什么一簇星云离我们愈远，它飞离我们的速度就愈大？

这定律的含义可以用一个例子来说明。设想一间讲堂，其中座位之间的距离是完全一样的，假使每人与左右前后的近邻相距各3英尺远。再设想这间讲堂在迅速膨胀，在短时间内体积增长了2倍。倘若你坐在讲堂的中央，就会发现你的邻座们都已经移开去，现在离你已有6英尺远了。

然而，一个坐在讲堂另一端者，本来离你有300英尺远，现在就离你600英尺远了。就在你最近邻座移开3英尺的时间之内，那个坐在讲堂另一端者已移开了300英尺。很清楚，他离开你的速度大得多了。

这就是哈勃定律，或称宇宙膨胀定律。它不但可应用在宇宙上，也可应用在吹胀的气球或在烘炉中烘烤的面包上。所有在均匀膨胀的物体都遵照着这定律。假使那讲堂的座位依照任何其他的方法移动，它们就必会在讲堂的某个角落碰成一堆，同样，倘若这许多星云根据任何非哈勃定律的方式而向外扩散，它们就必会在宇宙某一角落中迭成一团。^[1]

还有一点是必须解答的：斯里弗和赫马森究竟是怎样测量远方星云的运行速度的？要在太空中追踪一簇星云来直接测量它的速度是不可能的。因为这些星体极大的距离使我们侦察不出它们的运行速度，离我们最近的螺旋星云仙女座在空中最小的移动速度也得花500年才量得出。

天文学家所用的方法是间接的，其中的一个事实就是：每当一簇星云向离开地球的方向移动时，它的光谱就比平常更趋向红色。^[2]其变红（红移）的程度与其移动的速度成正比。这是由斯里弗首先发现的，星云后退的“红移”现象就是宇宙膨胀现象的根据。

这红移本身是如何测量的呢？首先，用一个三棱镜或类似的工具装在一架望远镜上。这三棱镜将一簇正在移动的星云分析成一列彩虹状的光谱；下一步，把这列光谱用感光底片记录下来；最后，把这星云的光谱与另一个固定不动的光源的光谱并排。

比较这两个光谱就可测出红移。

图4.1说明这测量的方法。左方显示几簇星云的像片，而右方开列这些星云的光谱，每簇用像片纪录成为两端尖细的一道光芒。每道光芒上下两边垂直的短线代表一个固定不动光源的光谱，摆在星云像片的两边与它比较。

这些星云的光谱看起来并不清楚，因为它们的距离很远，所以显得很微弱。然而每个光谱都含有一个重要的特征。那就是在箭头以上都有一对暗淡的线条。这些线条是在这簇星云内的钙原子所造成的色彩，它们是很有用的标志，用来测量这簇星云的红移数量。

倘若这簇星云并不是在远离我们的话，箭尾就会指示这簇星云的光谱内钙原子正常的位置。整枝箭的长度就是这簇星云的红移数量。在最顶上的像片显示着距离我们约七千万光年的一簇星云。这位置近得使它在像片中成为一个巨大的光体，但又远得使我们分不清其中每颗单独的星体。在它的光谱中钙的色彩显出向红端微小但肯定的移动。从这簇星云的红移数量推算，它向外运行的速度是每秒钟750英里。

图4.1像片左侧弥漫的光体是一些星云。左下角像片中箭头所指示的星云微弱到仅仅勉强可见，因它们离我们有数10亿光年之远。图右侧两端尖细的光芒就是每一簇星云的光谱。在每个光谱中的箭号长度代表它红移的数量。

下一簇星云在九亿光年之外，依照比例显得较细小也较微弱。它光谱中钙色彩的位置也显得更多向红端移动，指示出它更大的运行速度。这簇星云光谱的红移相当于每秒9，300英里的速度。

第三、四及第五簇星云的位置都在10亿光年之外。因为它们巨大的距离，它们就显示为极细小和微弱的光体。它们光谱的红移是很大的，相当于每秒10，000英里的运行速度。

若把这四簇星云的运行速度和距离用坐标图标示，类似哈勃50多年前所做的，这些标点就都连成一条直线（图4.2）。这线表示出速度和距离的一个简单关系，那就是，倘若一簇星云与我们的距离是另一簇星云的一倍的话，它离我们而去的退行速度就比那簇星云快一倍；倘若它与我们的距离是另一簇星云的三倍的话，它离我们而去的运行速度就比那簇星云快三倍，如此类推。这个比例就是哈勃定律的数学说法。

图4.1

坐标图中标线的斜度表示出宇宙膨胀的速度；一条标线愈陡，就意味着那些星云以愈快的速度在运行，就是说，宇宙是在迅速地膨胀。一条标线愈缓，就意味着那些星云以愈慢的速度在运行，也就是说，宇宙是在慢慢地膨胀。

哈勃坐标图中关于标线斜度的解说给宇宙膨胀学说提供了一个重要的印证。根据宇宙爆炸性诞生的看法，紧接在爆炸之后，宇宙膨胀的速度比现在要快得多。假如许多亿年之前就有人测量所有星云的速度和距离，并采用同样的坐标图来标示的话，他仍会标出一条直线，只是这线会比今天所测得的线陡得多了。如能拿到那条古时所测得的坐标线，与今日照样测到的新坐标线对比，就能考验那学说，就是这个宇宙曾经向外爆炸过，以后在万有引力的吸引之下，又逐渐慢下来了。

这个考验能做得出来吗？这好像是个不可能的工作。只因天文学的记录不是从数10亿年之前就有的。但请考虑以下事实：仙女座星云抵达地球的光线在200万年前就离开那星云了；当天文学家用望远镜来探照它时，他所照的相其实是这星云200万年前而不是它今天的影像。同样，在1，000万光年之外的一簇星云射到地球的光线在1，000万年之前就已离开那星云了。它的像片显出的是它1，000万年之前而不是它今天的影像。

现在我们来看怎样为宇宙照出一张它在几十亿年前的相。首先，给一亿光年以内的许多星云拍照。这些星云会显出膨胀中的宇宙在过去一亿年中的影像。因为一亿年从宇宙的时光看来是一段比较短暂的时间，我们可以拿这像片当作宇宙今天的相貌来看。若将这些比较近的星云的运行速度和距离画成坐标线，它们应当形成一根直线。这线的斜度就会显示出现在宇宙膨胀的速度。

图4.2

然后，再往外层空间去，测量在五亿光年距离的星云。它们的运行速度和距离会画成另一根坐标线，它的斜度就会显示出在五亿年前宇宙膨胀的速度。倘若我们测量的准确度容许我们再往更远的外层空间去钻研，我们就可测量10亿光年以外的星云，再测量20亿光年以外的星云，以此类推。向太空外看得愈远，我们就看得见愈久以前的时光。

就这样，拿一架巨大的望远镜当作时光倒流机来用，我们就能发现几十亿年前膨胀中的宇宙的状况。这种测量的原则很简单，可是实行起来就很困难了。原因是度量遥远星云的距离所必须的准确度是很难达到的。

天文学家在这种工作中所遇到的困难来自那些恒星和它们所属星云，在悠久的时间中星云会衰老，而改变它们的亮度。当一簇星云年轻的时候，它含有许多炽热、极其明亮的恒星，从而使星云显得比较亮。但这些炽热年轻的恒星很快就会烧光。当一簇星云渐渐衰老，它包含有的年轻恒星就渐渐减少，于是整簇星云就变得比较黯淡了。

要用一簇星云作为一枝“标准蜡烛”，就是说，它的距离的估算是以它真实的亮度与它显然的亮度比较而得出的，那么所得的距离就必须为着这种衰暗作用校正。对于相当接近的星云，我们所见的就是它们比较近时的相貌，虽然是很小的校正，但对于那些我们用来估计数10亿年前宇宙膨胀速度的遥远的星云，这种校正就具有决定性的作用了。

很不幸的是，大家对这种校正最适当的幅度都把握不好，所以，对于宇宙在年轻时膨胀的速度也就相对地不确定了。

因为这些困难，艾伦·桑德奇（Allan Sandage）和古斯塔夫·坦马尼（Gustav Tammann）曾改用另一种方法来估算宇宙在早期膨胀的速度。他们的理论基于一个事实：哈勃坐标线的斜度揭发了有关宇宙年龄的一个重要规律。如果这线很陡，那就意味着在追溯过去时，我们会在相当短的时间内回到一种温度、密度和压力都极高的状况——“大爆炸”中，就是说，宇宙在相当短的时间之前开始，它的年龄并不古老，它是一个年轻的宇宙。

另一方面，如果这线很平缓而不是很陡，那就意味着在追溯过去时，我们会在很长的时间内才回到一种温度和密度都极高的“大爆炸”状况，就是说，“大爆炸”发生在很长久的时间之前，宇宙是很古老的。

好多天文学家都曾采用这种推理，使用它和在今日或近代哈勃坐标线的斜度来推算宇宙的年龄。他们的结论落在100亿至250亿年之间。这些估计依照桑德奇和坦马尼的推理，我们可用200亿年为一个颇为合理的估计。

但是我们这200亿年的估计已默认着一个假设就是宇宙膨胀的速度，即哈勃坐标线的斜度在宇宙的历史上自大爆炸以来从未改变过。假使我们承认另一个事实就是哈勃坐标线的斜度在大爆炸刚过之后必定比今日陡得多（因为当时的宇宙必定比今日膨胀得快得多）的话，那么宇宙的真实年龄就必定比200亿年短多了。

现在我们来从时间上看宇宙膨胀的速度减慢了多少。方法是只须要用今日哈勃坐标线的斜度所推算出来的“哈勃年龄”和用别的办法算出的真实年龄相比。倘若那真实年龄比“哈勃年龄”短得多，那么宇宙膨胀的速度就必定已经大大降低了。

桑德奇和坦马尼曾经将这种推算法应用在观察各星云的运行速度与距离上，他们用我们银河星云中的球状星群（Globular cluster of stars）的年龄来测量宇宙的真实年龄。球状星群是大群的恒星，它们大约是在宇宙10亿年时，就是当银河星云从原始气体凝聚而成之后形成的。这些星群的年龄约为140亿年，比起从“哈勃坐标线”的斜度所估算出来的“哈勃年龄”要短多了。它们暗示着自从大爆炸之后宇宙膨胀的速度已经大为降低了。

这一类的研究带来了一种“红利”，因为它们间接显示出宇宙中总共有多少物质，也显出宇宙是否会永远不停地膨胀下去，或者它会不会在将来某时刻静止下来。

假设宇宙中物质的总量，更精确地说，物质的密度是足够制止它的膨胀的。这样丰富的物质所发出的引力就会使宇宙的膨胀迅速减慢。结果是，真实的宇宙年龄会比“哈勃年龄”短得多。

反过来说，假设宇宙中物质的密度比较低，所以不足以制止它的膨胀，只能使它的膨胀速度稍为减慢一点。这样算出来的宇宙真实年龄就会比“哈勃年龄”稍短，但不会短很多。

这些理念，应用于上述所得的数目，“哈勃年龄”为200亿年，从球状星群的年龄所测出宇宙的年龄为150亿年，所得的结果是宇宙将会继续不停地膨胀到永远。然而，对此天文学家们仍在热烈争辩中。

【注释】

[1]哈勃定律，就是哈勃在相当近的星云已经建立的，证实了宇宙在今天是在膨胀的理论。但它并未证实宇宙过去一直在不停地膨胀，就是说，它并未证实宇宙有一个突然的起始。哈勃定律在理论术语上说，是大爆炸的一个必要条件，但并非是充分条件。

[2]发生这种现象是因为光在太空中是一连串的波纹，当光源移开时，这些光波就被这退后的动作所牵引而拉长了。一道光线的波长呈现于肉眼的就是它的颜色；较短的光波在人看来是“蓝色”的，而较长的光波则是“红色”的。这样，由于光源从观察者移开所引起的光波增长看起来就是一种变红现象。