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哈勃定律的提出,究竟经历了几代人的努力

今天小编为大家带来了一篇《哈勃定律的提出,究竟经历了几代人的努力》的文章,感兴趣的读者朋友可以跟着小编一起看一看。

我们听过的最震惊的事实之一是:空间本身(宇宙的构造)是变化的。物质会使空间弯曲变形,运动的物质变换着性质,波以光速穿越宇宙。宇宙中的时间与空间并非彼此独立、一成不变,而是被链接在一起组成我们称之为时空的实体。

二十世纪20年代关于宇宙的最惊奇事件之一是当时的许多科学家提出了一个非常激进的观点,即随着时间推移,空间会由于扩张或者收缩发生根本性的变化。这种观点并不是横空出世,它有着数据上的绝对支持,数据表明:星系距离我们越远,越以更快的速度远离我们。按照爱因斯坦广义相对论,宇宙必然是在扩张。自1929年之后,我们便舍弃了这一观点。

图为扩张的宇宙中物质(顶部),辐射(中部)以及宇宙学常数(下部)是如何随时间变化的。注意!右边是扩展率是如何变化的。按照宇宙常数,膨胀率没有下降,膨胀指数便会增加

几代人后,远处似乎在远离我们的天体的平均速度与天体和我们的距离成正比,这一法则因埃德温·哈勃被称为哈勃定律。直到今天,关联视向速度与距离的常数也被称为哈勃常数。

但是从历史的角度来看,埃德温.哈勃并不是第一个发现这个规律的人。尽管哈勃在1929年发表了一篇卓越的论文,详细说明红移—距离关系的比例常数,但是两年前比利时的科学家乔治·莱默特(GeorgesLemaître)对哈勃的部分数据做出分析得出了相同的结论。于是,天文学家称这种关系为哈勃—莱默特定律。但是,究竟是谁发现了宇宙扩张的故事更加扑朔迷离。

广义相对论的数学基础十分复杂,且广义相对论本身也为其等式提供了许多可能的解决方案。但是仅当我们确切描述宇宙中的条件时,并且将理论预测与观测的结果相比较,才可以提出物理学的理论(T. PYLE / CALTECH / MIT / LIGO LAB)。

首先,我们从爱因斯坦1915年首次提出的广义相对论讲起,他认为当物质距离较大且质量较小时,这时牛顿定律无法解释,但爱因斯坦引力理论的简化结果符合实际观测与实验的预测结果。水星的行星轨道便是第一个牛顿无法解释的问题,其次是日食期间星光的弯曲,但爱因斯坦成功了。

根据他的理论预测,静止的宇宙是不稳定的,它必须膨胀或收缩,但是爱伊斯坦并没有接受这一正确的结论,他否定了它,并且认为宇宙是静止的,为此他提出宇宙常数来弥补理论缺陷,这导致了其被称为爱因斯坦的“最大失误”。

Vesto Slipher首先指出,一般来说星系距离我们约远,便会约快地远离我们。多年以来,这种奇怪的解释直到哈勃望远镜的出现才将所有的线索整合到一起:宇宙正在膨胀。(VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)

早于爱因斯坦之前,维斯托·斯利珀(Vesto Slipher)的观测结果对宇宙膨胀的研究具有重要意义。在20世纪初期,斯利珀用望远镜上的光谱仪观测到了当时被称为“螺旋星云”的东西。他根据不同的波长来分辨来自不同星系的光,能够识别原子内部的光谱线。

斯利珀知道原子是如何工作的,就可以根据波长测量星云的变化:如果它们远离我们,则变红;如果它们靠近我们,则变蓝。这些旋转星云的速度非常快以至于无法与银河系结合,大多数都变红了,少部分也比其他的天体运动速度快得多。他的结果显示这些星云有着自己的星系,并且大多远离着我们。但是斯利珀从来没有把这些问题放在一起考虑。

图为宇宙膨胀的可能结果。注意过去模型的差异,只有具有暗能量的模型才符合我们的观察结果,而暗能量主导的模型是de Sitter于1917年提出的。(THE COSMIC PERSPECTIVE / JEFFREY O. BENNETT, MEGAN O. DONAHUE, NICHOLAS SCHNEIDER AND MARK VOIT)

后一个做出巨大贡献的是威廉·德·西特(Willem de Sitter),他于1917年表明:如果设定为由爱因斯坦的宇宙学常数主导的广义相对论宇宙,宇宙会膨胀的。更令人震惊的是膨胀的性质:不受干扰、指数型增长且永久进行,这意味着物质离我们越远则远离我们的速度越快。

尽管没有充分的证据证明宇宙是在膨胀的,但德西特指出,就算是按照爱因斯坦的广义相对论设想,宇宙也应当是膨胀的。(更令人惊讶的是,他所描述的膨胀类型似乎是宇宙中的暗能量)。

图为用现代符号表示的第一弗里德曼方程,其中左侧详细说明了哈勃膨胀率和时空的演变,而右侧则包括了所有不同形式的物质和能量以及空间曲率。这被称为宇宙学最重要的方程,由弗里德曼1922年提出的模型推导而来(LATEX / PUBLIC DOMAIN)。

1922年,物理学家亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)发表了惊人的著作:Solving General Relativity for the case of a Realistic Universe(大致意思是,以真实宇宙的情况/条件求解广义相对论)。这是首次对宇宙充满物质这一问题的解释,这些东西可能是物质、射线、空间曲率、宇宙常数或者其他的任何东西。

弗里德曼发现,在任何情况下宇宙都必须膨胀或收缩,如果宇宙充满物质或者空无所有,那么静态的宇宙是不够稳定的。鉴于斯利普的观察和希伯·柯蒂斯(Heber Curtis)在1920年大辩论中提出的论点,宇宙在膨胀的观点得到支持。

图为1877年对仙女座大星云的观测结果,它是第一个被发现具有涡旋臂的临近星系。这张图是黑白的仅仅是因为当时的照片没有滤光,而不是将红、绿、蓝合成在一起变成彩色。图上可辨认的特征在130年来就算随机出现的变星和短暂事件例如新星、超新星等,都没有发生改变。(ISAAC ROBERTS)

但是一切在95年前发生了巨大转变,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)做出了也许是天文学史上最重要的观察。哈勃在仙女座大星云中寻找恒星爆发,认为这是新星的出现。1887年的摄影揭示了仙女座星系的螺旋结构,哈勃试着找出其中的新星来测量仙女座与地球的距离。一颗、两颗、三颗,令人兴奋的事情出现了!

他在第一颗的位置找到了第四颗星!如果这两颗星是同一个,那么变化不会有那么大,于是他划掉了代表新星的“N”,然后用红笔写了大大的“VER”。基于Henrietta Leavitt之前在变星上的研究,他能够计算出地球与仙女座的距离了,然后发现:仙女座大星云不属于银河系,它是一个独立的星系。接着,哈勃把他的结论推广到了所有涡旋状的天体。

这是解答所有疑惑的关键证据,它证明宇宙是在膨胀的。

哈勃在M31仙女座星系中发现了造父变星,为我们提供了银河系以外星系所需的观测证据,这为我们打开了宇宙的大门,意识到宇宙是在膨胀的。(E. HUBBLE, NASA, ESA, R. GENDLER, Z. LEVAY AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM)

哈勃与其助手米尔顿·休马森(Milton Humason)一起收集了螺旋星系中变星的更多数据,从而使他们确定距这些天体的距离。到了20年代,他收集的数据足够使任何一个科学家,只要认真研究所有的证据就能够将星系距离与红移联系起来。甚至你我,如果在当时知道这些数据,都能够得出宇宙正在膨胀的结论。

从历史上看,乔治·勒默特(GeorgesLemaître)是最早提出这一观点的,但是他文章发表在法国一个很少有人看到的杂志上。美国科学家霍华德·罗伯森(Howard Robertson)也在1928得出结论:宇宙正在膨胀并计算原始膨胀率。 但是,哈勃基于大量数据,于1929年发表了他的突破性工作,获得了最大的赞誉。

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1929年基于哈勃对宇宙膨胀观测,随后进行了更加详细但不确定的观测。哈勃的图表清楚地显示出他的红移-距离关系,相对于前人有着极大地数据优势,他的理论前景更加广阔。(ROBERT P. KIRSHNER (R), EDWIN HUBBLE (L))

使用了几代人的“哈勃定律”更名为“哈勃-莱默特定律”, 但是我们的重点并不是将理论贡献归功于所逝去的几代人,而是想让人们了解到科学家是如何发现宇宙的规律并且使用它的。我倾向于省略所有物理定则中的人名,直接说明红移-距离关系。发现宇宙膨胀不是一两个人的奋斗,而是文中所列以及许多科学家的努力成果。归根结底,关于宇宙是如何运作的知识是最重要的,这是科学研究的永久性遗产,其他的一切都是对荣耀的虚伪证明。

作者: starts-with-a-bang- Ethan Siegel

FY: 牧小晨

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