本文全文发表在《中国国家天文》2008年第8期，请勿转载

6．膨胀宇宙的证据：红移

天体（包括恒星和星系）光谱中有一些谱线，我们知道它们是一些不同原子或分子产生的，有固定的波长。但是，观测到的天体谱线的波长与实验室里测到的又不完全相同，而是每一个都增长或减少了一个固定的百分比，但这个百分比每个天体又各不相同。这被称为谱线的红移（如果波长增大）或蓝移（如果波长减小）。物理学家已经知道，物体的运动会导致谱线的红移和蓝移：如果物体背离我们运动，谱线发生红移，朝向我们运动，谱线发生蓝移，这就是所谓多普勒效应。对恒星的观测表明，恒星的谱线有的发生红移，有的发生蓝移。

1912年～1917年，美国天文学家斯利弗（Slipher）观测了25个河外星系（当时称为星云，因为那时还不完全清楚这些是河外星系）,发现4个有蓝移，其余21个有红移。这在当时看来是件奇怪的事,因为如果我们的银河系是一个普通的星系，而各个星系的运动是随机的，那么平均说来应该有一半接近我们，一半远离我们。现在大部分都发生红移，那怎样解释呢？实际上，勒梅特等理论家所主张的宇宙膨胀可以很自然地解释这一现象：由于宇宙膨胀，大多数星系随着空间膨胀而离我们远去，因此其光谱红移。但是，最接近银河系的几个星系，与银河系共同构成了一个称为本星系群的结构，它们不再随宇宙膨胀，而是在引力相互作用下互相围绕、旋转（最终会互相碰撞后合并为一个星系），因此相对运动有可能互相接近而产生蓝移。

美国天文学家哈勃(Hubble)的观测进一步证明了上述图景的正确。他和助手赫马森（Humason）使用天文上的一些经验方法测量了一些星系与我们的距离，发现这些星系的红移和与我们的距离成正比，这种比例关系称为哈勃定律。由于当初距离定标上的错误，哈勃测量的比例系数（称为哈勃常数）比今天的测量值大7倍，但是星系的红移和与星系距离成正比本身是可靠的，不受这一错误的影响。如果我们考虑红移是由于空间整体膨胀形成的，那么简单的计算表明恰好有这种关系，而如果红移是其它原因造成的，则哈勃关系就不是那么自然了。

星系的红移可以用多普勒效应来解释，哈勃原始论文图中画的不是红移而是所谓退行速度。但既然退行速度是正比于距离的，那么当距离足够远的时候退行速度岂不是超过了光速？这个问题在一些人中引起了混乱。但是，实际上这个速度超过光速并没有什么关系。首先，我们要知道在相对论中不能超过光速的是信息传播的速度。如果某个速度并非信息传播的速度，那它超过光速也没有关系。比如，学过大学物理的人都知道波传播的速度有群速度和相速度之分，相速度超过光速是司空见惯的。即使是群速度，也不等于信息传播速度，在一些具有反常色散的介质中也已经实现了波群速度超过光速。不过，在狭义相对论中，在任何一个惯性参照系中一个物体的速度总是小于光速的，因为一个实际物体的运动速度当然是一种信息传播速度。但在广义相对论中，一般说来不存在包括整个时空的惯性参照系，人们只能在时空的一个点附近定义“局域惯性系”，在这种局域惯性系里物体的运动速度是不能超过光速的，但这种局域惯性系覆盖的范围很小。只有在一些非常特别的时空里才允许定义全局惯性系，但这不具有普遍性。对于宇宙远处的物体来说，它们的“速度”这时只是一种“坐标速度”，这种速度无法用来传递信息。严格地说，只在局域惯性系内红移可以完全用运动多普勒效应解释，在宇宙尺度上，最好把红移解释为光波随着空间膨胀而变长。

除了宇宙的膨胀造成的红移(以下简称宇宙学红移)以外，引力也可以造成红移，因此，也有过不少人尝试用引力效应解释星系的红移，最早的是著名天文学家兹威基（Zwicky）。但是，星系本身的质量也可以通过其中恒星的运动速度以及其产生的引力透镜效应等方法估算出来。使用这些方法，人们发现了星系的质量大于其中的发光物质，即星系中存在暗物质。尽管如此，这些物质产生的引力红移还是太小，难以用引力红移解释观测到的高红移天体。还有人假定光在传播中可以自己损失能量，或在与其它物质相互作用时损失能量。这些学说很早以前就有人提出了，但这些假设都和已知的物理理论相矛盾，既没有其它证据支持，也无法对丰富的天文观测给出完整的解释，因此，现在星系红移的宇宙学起源已经被天文学界普遍接受，不再是有争议的问题。

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