ddsheu的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/ddsheu

博文

DDSSN017-「宇宙膨胀说 (II)」

已有 3251 次阅读 2015-10-12 14:57 |系统分类:科普集锦

(承前文)前文就「宇宙膨胀学说」的要义,做了一个概念上的描述。接下来要追问的问题,当然不外是,「宇宙」的「膨胀速率(rate of expansion)」到底有多快?要回答这个问题,就不得不再进一步了解,所谓的「哈伯定律(Hubble Law)」,因为「膨胀速率」通常均以「哈伯常数(Hubble Constaant)」来表示。依据「哈伯」定律的公式:v = Ho x d,其中 v 是任一银河系离我们地球而去的速度(以 km/sec 表之),d 是两者间的距离[在天文学上以 MegaparsecMpc)表之,每一个 Mpc 等于 326 万光年,也就是等于 3.09 x 1019公里],而比例常数 Ho即为「哈伯常数」,其单位为(km/sec/Mpckilometers per second per Megaparsec)。这个简单的公式,清楚的告诉我们,离我们愈远的银河系(galaxy),其远离我们而去的速度愈快,下图中所示,即是各银河系(共有 1,355 个)离地球的「距离」与其个别「速度」的线性关系(from: “Introductionto Modern Cosmology” by A. Liddle),图来自实际的观测结果,因而也证实了「哈伯定律」的正确性。

在过去数十年间,不同的天文学者,依据不同观测工具所得的资料结果,推估此「哈伯常数」的值,介于 50km/sec/Mpc100km/sec/Mpc 之间,目前大家公认的最佳值为 73.8km/sec/Mpc(含约3% 的误差),但就在去年 3 21 日,「卜朗刻(Planck)」卫星,测得的最新资料为 67.80 ± 0.77km/sec/Mpc。这些不断更新的数值,彰显了测量「宇宙」膨胀速度之困难,主要是因为它一直在持续加速膨胀中,你(妳)根本无法找到一个絶对静止的参考坐标去观测,不管如何,依目前所得的「哈伯常数」而言,「宇宙」中各不同银河系,依其距地球远近的距离,大约以 70km/sec/Mpc的速度远离我们而去,而且离我们愈远的银河系,它离我们而去的速率愈快。

以上这个膨胀速率所用的单位(即:(km/sec/Mpc),我个人认为是要正确了解「宇宙膨胀说」其精髄的主要关键,因为它不是我们一般熟知的速率单位(距离/时间),而是以(速率/距离)单位来表之,也就是说,离我们距离愈远的银河系,其速率变的愈快。下图即是针对此概念的图解式说明,图中左侧的圆圈,代表原来宇宙的大小,上有红、黄、绿三㸃,分别代表三个不同的银河系,假定其中红和黄㸃以及黄和绿㸃的距离均为 1 ,则红㸃和绿㸃的距离为 2。右侧的图,代表的是当宇宙膨胀后(即圆圈的半径大了一倍),此时黄㸃离红㸃的距离也增加了一倍(即由 1 变成了 2),但此时绿㸃离红㸃的距离却增加了四倍,也就是说相距愈远的星河系,对同一观测者(即红㸃)而言,就离的更远了,而且是加速离去,更最重要的是,以上代表不同银河系的三㸃(即红、黄、绿三㸃)事实上并没有改变,改变的只是宇宙的大小而已。

最后,有关「宇宙膨胀说」中,还有几个值得强调的概念,在此写来与你(妳)分享:

(一)现今的宇宙虽然还在持续的加速膨胀中,但相对于宇宙的大小(size)而言,和过去(如 100 亿年前)相比,其增大的速率却反而慢了许多,这主要是因为,现在宇宙的大小比 100 亿年前大的太多了,例如,100 亿年前,宇宙要增加其 1% 的大小,只需 44 百万年,但现在要增大 1% ,却需要140 百万年的时间。

(二)宇宙自「大爆炸」后,固然持续的膨胀,但由于引力的作用,它的膨胀速率也曾逐渐趋缓下来,直到约 70 亿年前,由于「暗能量(dark energy)」的驱使,才又重新加速迄今。尤有甚者,今年 6 月间,Lawrence Mead and Harry Ringermacher 两位美国学者发现,宇宙不但膨胀,而且其间还往复加速减速了 7 次。要强调的是,这种有规律性的膨胀速率改变,不同于「引力波(gravitational wave)」,它并不穿透整个宇宙,而是宇宙自身的一种变动(见下之示意图,图中显现的掁荡幅度只是为了便于读者视觉上的辨识而已,并非真的有如此巨大幅度的掁荡;creditNASA, University of Southern Mississippi)。

(三)最后,必需一提的是,即使如此,但是迄今还是有些学者,并不完全苟同此种看法。例如,Christof Wetterich(德国海德堡大学的理论天文物理学家),就在NatureNewsdoi:10.1038/nature.2013.13379)上,提出他的不同论点:我们惯常之所以认为「宇宙」在膨胀,主要是因为,当我们观测来自不同银河星系,其所炽射出来的光时,这些光的「频率(frequency)」,会偏向光谱上低频(即红色)的方向偏移(即所谓的「红移(redshift)」现象)。但是,因为炽射出这些光的原子(atoms),其组成粒子(particles)的「质量」,也能影响到其光的「频率」(「质量」愈重,「频率」愈高),因此,当我们观测来自远方星系的光时,若其组成粒子(特别是电子)的「质量」,在「宇宙」窄始时较轻,但随着「宇宙」年龄的增加,逐渐变得较重,这也能让我们观测者,侦测到同样的「红移(redshift)」现象,进而误以为是远方的星系,正在远离我们而去。当然,这是另一种新的看法,还有待日后更多的科学印证〔注:有人认为Wetterich教授的这种看法,若未来能证实是正确的,那将是自哥白尼(Nicolaus Copernicus;公元1473-1543年)、伽俐略(Galileo Galilei;公元1564-1642年)、刻卜勒(Johannes Kepler;公元1571-1630年)、牛顿(Issac Newton;公元1642-11727年)、爱因斯坦(Albert Einstein;公元1879-1955年)、哈伯(Edwin Hubble;公元1889-1953年)后,在天文学上的又一次大革命〕。(全文完)




http://blog.sciencenet.cn/blog-2368269-927595.html

上一篇:DDSSN016-「宇宙膨胀说 (I)」
下一篇:DDSDLSN001-「心灵飨宴-令人动容的照片」

2 李颖业 俞立平

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (1 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-2-28 15:05

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部