宇宙一大重要发现是:组成星星和地球的物质大部分相同。这个发现始于伊萨克•牛顿爵士(Sir Isaac Newton),现代科学的许多发现都是这样。1665年,牛顿还是一位年轻科学家。他关上百叶窗,只留一个小孔,让一束阳光透过棱镜,散射成彩虹状。他推断:太阳的白光包括了所有的颜色。情况确实是这样。
150年后,另一位科学家更仔细地检查散射光、发现光谱当中有黑带。他推断:太阳外层大气物质吸收了特定波长的颜色或光波。这些“吸收谱线”可以确定:哪些已知地球物质吸收了相应波长的光波,包括氢、氧、铁、钠、钙。
1868年,另一位科学家观测到:太阳光谱黄色部分有两条新的吸收谱线,不符合任何一种已知地球物质的谱线。他断定:这一定是某种未知的新元素,将它命名为氦。一代人以后,地球上发现了氦元素。
观测其他星球的辐射光谱,是一种重要的科学工具,有助于了解它们的组成、温度和进化。维斯特从1912年开始观测各种漩涡状星云的光谱,发现这些光谱与附近的恒星相似,但所有吸收谱线的波长都有同样幅度的变化。
后来,这些现象通过熟悉的“多普勒效应”得以理解。克里斯蒂安•多普勒(Christian Doppler)是奥地利物理学家,于1842年提出解释:如果光源远离观察者,射向观察者的光波就会变长;如果光源逼近观察者,射向观察者的光波就会缩短。这种现象有一个人人熟知的例证:在西德尼•哈里斯(Sidney Harris)的卡通片里,两个牛仔策马奔驰在大平原上。一个牛仔看到远方的火车,对同伴说:“我喜欢听火车的悲鸣,频率随多普勒效应变化!”确实,迎面而来的火车汽笛或救护车警报声音更高、离去的声音更低。
事实证明:光波和声波同样有多普勒效应,但原因多少有些不同。光源远离观察者,光波变长变红,因为红光是最长的可见光。光源逼近观察者,光波就会变短变蓝。
斯莱夫(Slipher)于1912年观测到:几乎所有漩涡状星云的吸收谱线都会系统地变长(但有些星云的谱线会变短,例如仙女座星云)。因此,他准确地推论:大部分星体以相当可观的速度离我们而去。
哈勃可以对比自己的漩涡状星云(现在以此闻名)距离观测值和斯莱夫观测的远离速度。1929年,他获得威尔逊峰观测组员米尔顿•赫马森(Milton Humason)(此人才干出众,甚至没有高校文凭就能在威尔逊峰观测组任职)的协助,宣称发现了重要的经验关系,现在称为哈勃定理:退行速度和星系距离之间存在线性关系。换句话说:星系离我们越远,退行速度就越快!
惊人的事实开始呈现:几乎所有星系都在离我们远去。距离倍增,退行速度就倍增;距离增加3倍,退行速度就增加3倍。以此类推。这显然在提示:我们就是宇宙的中心!
正如某些朋友的建议,我有必要时刻提醒自己:情况并非如此。毋宁说:勒梅特尔料事如神。我们的宇宙确实在不断膨胀。
我尝试过各种解释方式。坦率地说:如果读者跳不出通常的思维框架,不能采取外在于宇宙的视角,就不容易理解这种情况。你要理解哈勃定理,就不能目光短浅,只见本星系,必须从宇宙之外观察宇宙。从二维宇宙之外观察很容易,从三维宇宙之外观察很难。我在下面的图中画出了膨胀宇宙的两个不同时刻。如你所见,各星系在第二个时刻距离更远。
无中生有的宇宙——第二节
书名: 无中生有的宇宙
作者: [美] 劳伦斯·M·克劳斯
出版社: 江苏人民出版社
原作名: A Universe from Nothing
副标题: 万物起源于空,空又从何而来?
译者: 刘仲敬
出版年: 2012-9
页数: 138
定价: 28.00元
装帧: 平装
ISBN: 9787214086426