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DDSSN016-「宇宙膨胀说 (I)」

已有 2487 次阅读 2015-10-12 14:46 |系统分类:科普集锦

前两文就「大爆炸理论」,做为宇宙形成的演化过程做了一个简要的说明,有兴趣的读者,可能会问:「宇宙」从「大爆炸(Big Bang)」的瞬间之后,就是这么大吗?还是它是随着时间,由小逐渐变大的?假如是这样的话,它还在持续膨胀下去吗?而且最终会变成什么样子?就这样无穷尽的,继续膨胀下去吗?事实上,你(妳)这一连串的问题,也正是「宇宙膨胀学说(cosmic expansion)」的主要内容和范畴。我常说:「做科研不难,难的是,你要问对问题,只要问对了问题,好的成果自然就出来了。」单就这一点来说,你可算是踏上了「科研」的正途了!

早在1920 年代后期,哈伯(Edwin  Hubble)教授首度发现,在地表上观测,来自我们邻近各银河系的光线,其所造成的不同「红移(red shift)」现象和该等银河离我们地球的距离,存在着一个良好的比例关系(此关系现今通称为「哈伯定律(Hubble Law)」)。自此之后,几经修正演变,就形成了,现今天文学界普遍接受的「宇宙膨胀说」的基础。迩至近来,科学家们进而发现,「宇宙」不但自「大爆炸(见前文DDSSN014 DDSSN015)」以来持续膨胀,而且其膨胀速率愈来愈快,也就是说,我们现今的「宇宙」,正在持续不断的加速膨胀中。下图(from:http://majikphil.blogspot.tw/2012/03/how-big-is-universe.html)所示即是「宇宙膨胀说」的示意图。

 

其次,要注意的是,以上所说的「宇宙膨胀」,指的是目前、当下的情况,在未来,随着时间的继续推移,「宇宙」还是会像现在这样,持续加速膨胀下去吗?还是到了未来某个时间点,它将以等速膨胀下去呢?甚至,是否有可能反而以减速的方式,开始收缩了呢?针对这三种可能的情形,天文学家们也提出了三个不同的可能模式(参见下图;creditNASA and ESA)。注意该图中的纵轴为时间,黄色箭头所指的位置,即是目前「宇宙」的大小,最右边的图,代表的是「持续加速膨胀的宇宙(accelerating universe)」,自右的第二图,代表的是「持续以目前速率膨胀下去的宇宙(coasting universe)」,最左边的两个图,则代表「宇宙」将以减速的方式进行下去(即「减速的宇宙(decelerating universe」),后者又可分为两种可能情形,一是持续减速(最左图),整个「宇宙」最终又回到如「大爆炸(Big Bang)」初始时一样,另一则是,「宇宙」减速到了未来某个时间点后,又以等速继续无限延持下去。

以上这些不同的「模式」,有个最根本的不同点,那就是「宇宙」由初始演化到现今(即图中左边时间轴由下而上),所历经的时间不同:「加速膨胀的宇宙(accelerating universe)」历时最久,「以目前速率膨胀的宇宙(coasting universe)」居次,而「减速膨胀的宇宙(decelerating universe)」为时最短,也就是说,依各不同模式,推算的「宇宙」年龄各有不同〔注:目前科学家咸认同的「宇宙」年龄为 138.2 亿年;见我前博文DDSSN014-「宇宙的起源-大爆炸理论 (I)〕。

此外,更要注意的是,「宇宙膨胀说」的精义指的是,「宇宙」中含有的各种大小不一银河系的空间(space),基本上是静止不动的(stationary),但彼此间却随着「宇宙」的持续膨胀,而相互远离而去。在这里,容我特别提醒读者,千万不要被误导,以为「宇宙膨胀说」指的是各个星体,因为「宇宙」膨胀,而相互日渐远离,要真是这样的话,那我们地球和太阳或月亮的距离,不是会相距愈来愈远吗?你知道,事实上,并不是这样的,我们银河系(包括我们的太阳系)的空间,是静止不动的,只是它和其他邻近银河的距离,相距愈来愈远而己!

下图(credit:Eugenio Bianchi, Carlo Rovelli & Rocky Kolb)以气球为例,希望能有助于你,对这个概念的厘清和了解,该图中的气球代表「宇宙」,而气球表面的白斑点,代表的是不同的银河系,当气球变得愈大时(表「宇宙」不断膨胀),气球表面的各个白斑点,基本上,并没改变(即变大),但其与其他各白斑点的距离,却变得愈来相距愈远了。

     另外,也有学者引烤「葡萄干面包」做为比喻,你(妳)在面团里加入一些葡萄干,放入烤箱,烤好之后,成了一热腾腾的「葡萄干面包」,这时你(妳)会发现原来的面团,已膨胀成了面包(体积增大了),葡萄干间原来相距的距离也增加了,但是葡萄干并没有变大,这个由面团到面包体积的变大,代表的就是宇宙的膨胀,而葡萄干代表的就是各个不同的星体或银河系。(待续)




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1 李颖业

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