宇宙膨脹

根據科學研究及天文觀測發現從宇宙大爆炸開始，整個宇宙在不斷膨脹，星系彼此之間的分離運動也是膨脹的一部份，而不是由於任何斥力的作用。

基本介紹

• 中文名：宇宙膨脹
• 外文名：Expansion of the universe
• 性質：學說
• 提出時間：1929年
• 提出者：美國天文學家哈勃

學說提出

一九二九年，美國天文學家哈勃根據“所有星雲都在彼此互相遠離，而且離得越遠，離去的速度越快”這樣一個天文觀測結果，得出結論認為：整個宇宙在不斷膨脹，星系彼此之間的分離運動也是膨脹的一部份，而不是由於任何斥力的作用。

彩色斑斕的氣球上的斑斑點點，隨著氣球被吹脹，球上的斑點各自遠離而去。許多天文書籍上都用了一個人在吹氣球這樣生動的插圖，來形象地說明宇宙膨脹的理論。但是，除了這種“宇宙膨脹”的觀點以外，難道就沒有別的觀點和理論能夠解釋“所有星系都在彼此離得越來越遠，而且離得越遠退行速度越快”這樣的天文觀測結果嗎？我們不禁要問：我們的宇宙真的象氣球？它真的在膨脹？

其後的宇宙膨脹學說提出：我們可以假設宇宙是一個正在膨脹的氣球，而星系是氣球表面上的點，我們就住在這些點上。我們還可以假設星系不會離開氣球的表面，只能沿著表面移動而不能進入氣球內部或向外運動……。如果宇宙不斷膨脹，也就是說，氣球的表面不斷地向外膨脹，則表面上的每個點彼此離得越來越遠，其中某一點上的某個人將會看到其他所有的點都在退行，而且離得越遠的點退行速度越快。

創世大爆炸圖2

現在的宇宙，我們這個氣球，已經吹得這么大了。但是，原來的宇宙，還沒有吹氣球之前，是什麼樣子的呢？

現在的宇宙，據說是150億年前發生的“創世大爆炸”造成的。“創世大爆炸”理論認為，宇宙最初是由一個體積之小、能量和質量密度之大均難以想像的“粒子”突然爆炸，擴展開來，向四處噴發出放射線，後來凝固成質點，經過150億年的發展變化而成了現在這個樣子。

比利時天文學家喬治·埃杜伍德·萊美卓的說法更為形象，他在1927年提出：宇宙是從一個發生劇烈爆炸的“宇宙蛋”開始的，今天在不斷膨脹的宇宙是由“宇宙蛋”爆炸產生的。

這樣解釋宇宙的創世，似乎還不能使我們消除迷惑。正如《宇宙指南》一書中所說的，如果我們回到大碰撞（指創世大爆炸）的時候，並假設宇宙的所有物質和能量都集中在一個相當稠密的小球（也就是“宇宙蛋”了）中，這個小球非常熱，它發生爆炸形成了宇宙，那么這個小球是從哪來的呢？它是怎么“宇宙蛋”模型圖形成的呢？

按照大爆炸宇宙論，宇宙的不斷膨脹，使各種星系和其他天體彼此高速遠離而去，因此，宇宙物質將變得越來越稀疏，密度也越來越小。如若如此，我們的宇宙終將變得“空空蕩蕩”。於是又有另一種理論認為：當宇宙膨脹使星系之間的距離變得足夠“巨大”的時候，就會有許多新的物質從“虛無”中被創造出來，以填補出現的“間隙”，維護宇宙物質的應有密度，他們甚至計算出新物質產生的速度。這真是“無中生有”！在這裡，我們發現物質守恆定律變得毫無意義。

光線紅移被當作宇宙膨脹的證據，但我認為光線紅移是光線穿越宇宙空間時必然發生的衰變。

學說依據

修正：如果物質從A極高速噴出，在赤道處達到最高速度後又開始越來越慢——在B極處速度最慢，那么就會出現一個問題：被反宇宙高速噴出的物質卻又被反宇宙低速回收，如此，A半球的物質自然會是越積越多，最終“巨球”必會失去平衡。

所以，以上宇宙模型應該是：物質從A極高速噴出，逐漸減慢，致赤道處最慢；過赤道後開始加速，至B極處可達到與A極處同等的速度回收。——如果真是這樣，我們則必然處在B半球：處在我們前面的星系正在聚集式地遠去，處在我們後面的星系正在擴算式地“遠去”。

未來命運

亞力山大.弗里德曼從愛因斯坦的相對論出發，研究了“穹形”結構。他發現，一個時間不發生變化的空間，即靜止的宇宙是不存在的。隨著時間的推移，空間要么變大，要么縮小。弗里德曼對這兩種情況作了區分。顯然，宇宙在膨脹，星系在以一定的速度遠離，阻止這一過程的力量來自星系之間的引力。第一種情況，當整個宇宙的密度很大時，萬有引力也很大，因此星系退行的速度會不斷減慢直到星系的退行停止，也就是宇宙的膨脹停止了。這個停止的過程不會很久，使宇宙慢下來的力導致宇宙逆轉其進程，就像反著放電影膠片一樣，宇宙開始收縮，直到成為一點。這種宇宙模型叫做封閉式模型；開放式模型在宇宙開始時體積為零，一旦開始膨脹，便不停地膨脹下去，因為宇宙的物質密度不足以提供使它停下的萬有引力。這兩種模型就像人類發射火箭的情景。當火箭耗盡燃料後速度小於第一宇宙速度時，火箭升空的速度越來越慢，最終在重力的吸引下落回地面；如果火箭在燃料耗盡後達到了第一宇宙速度，它就會飛向太空，與地面永久地告別。目前我們在宇宙中觀察的現象是，星系是相互飛離的。

不論是封閉的宇宙模型還是開放的宇宙模型，隨著時間的推移，星系的退行速度肯定是要變慢的。然而，生存在膨脹宇宙中的人類無法斷定宇宙的模型到底是封閉的還是開放的，因為兩者都有膨脹的時期。讓我們放開想像的翅膀，為生存在收縮宇宙的“人類”構想一下，他們也會為選擇宇宙模型而苦惱，到底宇宙是會永遠收縮下去呢，還是會在收縮過後又膨脹呢？各家都有難念的經。

弗里德曼還建立了第三種模型，稱為平直式，在開始時這種宇宙與封閉式、開放式一樣膨脹，此後雖然宇宙也不停地膨脹，但總是在收縮的邊緣徘徊。

難以解答的三選一問題

弗里德曼之後的科學家們試圖為宇宙圈定唯一的道路，於是宇宙的物質密度和膨脹速度成為討論的焦點。星系退行的速度相對來說不會引來太多的麻煩，只要觀測的更細緻，計算的更準確些就行了。但宇宙的物質密度卻是個令人頭疼的問題。如果僅就人類觀察範圍內的物質質量來計算的話，宇宙的物質密度是很小的，宇宙將永遠膨脹下去。但是不要忘了，宇宙中還有許多的未知領域，很可能有我們看不到的物質存在，它們的質量也應計算在內。科學家們把看不到的物質稱為“暗物質”，並區分出熱暗物質和冷暗物質。熱暗物質是指有質量的中微子。在前幾章中我們提到過中微子，並說它是沒有質量的。然而有的科學家認為中微子是有質量的，只是微小到幾乎檢測不出來的地步。1994年，一位叫懷特的科學家測得，中微子的質量為質子質量的兩億到二十億分之一。冷暗物質就像是隱身人一樣，不給人類發現它的機會，人類只能猜測它的存在，並認為冷暗物質是多品種的。不管怎么說，只要有暗物質存在，宇宙的物質密度就得重新計算，並影響科學家們對宇宙模型的選擇。

宇宙的模型還是交給科學家們去選擇吧，我們姑且到未來去旅行，看一看不同模型中宇宙的未來，你喜歡什麼樣的結局，就相信什麼樣的模型好了。在開放的宇宙中，接下來的數十億年內宇宙的變化不大，還會有新的星系和恆星出現，只是它們會變的越來越暗淡。這一方面是星系距離我們越來越遠的緣故，另一方面恆星內部的核反應會慢慢變弱，直到恆星之火熄滅。此時的宇宙將不可抗拒地暗下來，恆星在耗盡有限的燃料後相繼滅亡，最終的歸宿是黑洞。黑洞是那時宇宙中唯一的守望者。

反駁

但是2011諾貝爾物理學獎的獲得者發現宇宙在加速膨脹，也就是說，這與弗里德曼的理論相反。

理論挑戰

望遠鏡的觀測結果顯示大多數星系會表現出“紅移”，並且隨著星系變得更加遙遠，紅移的程度會增加。從任何居住在這些星系裡的人們的角度來看，仿佛星系鄰居正在遠離你。（即宇宙膨脹）

雖然這個觀點聽上去非常單調，但它標誌著對宇宙本質、起源和命運的革命性觀點的開始，這暗示著幾十億年前，宇宙比現在要更加密集，且始於宇宙大爆炸。

然而，近日德國海德堡大學的克里斯托弗·威特瑞奇（Christof Wetterich）教授發表的一篇新文章挑戰了這種傳統思考方式。他指出原子釋放的光也受到它們的組成粒子，也即電子的質量的支配。如果原子質量增加，那么吸收和釋放的光將朝光譜的藍色部分移動，反之則朝紅色部分移動。

由於光的頻率或者稱“音調”會隨著質量的增加而增加，威特瑞奇教授辯論稱在很久以前原子質量可能非常低，如果質量在持續增加，那么古老星系的顏色將表現出紅移——而紅移的程度取決於它們距離地球有多遠。“我的同事尚未發現這一理論存在任何瑕疵，” 威特瑞奇說道。

儘管威特瑞奇的研究尚未發表在同行審閱的出版物上，《自然》期刊表示宇宙根本沒有膨脹——甚至有可能在收縮——的觀點已經引起有些專家的重視，例如英國聖安德魯斯大學研究引力替代理論的宇宙學家趙洪生（HongSheng Zhao）教授。

“我並沒有發現威特瑞奇教授的數學處理存在任何瑕疵，20年前曾出現了這個觀點的初步版本，我認為探索宇宙膨脹的替代性觀點非常迷人，宇宙的進化就像彈鋼琴，從低音調逐漸過渡到高音調。”

對於自己的研究標誌著兩種不同觀點的改變，威特瑞奇教授表現出超然甚至是幽默的態度。這兩種觀點代表了對現實的不同觀點：要不就是星系之間的距離在增加，正如傳統觀點裡所描述的，或者原子的大小在縮減從而增加了自身的質量；或者是這兩種情況的複雜結合。威特瑞奇的觀點的優勢之一在於它能夠在時間的起始處擯棄奇點，也即物理學原理瓦解的轉折點，的物理現象。宇宙大爆炸在遙遠的過去里已經變得模糊不清：“宇宙鋼琴”的第一個音符太漫長太低沉了。

歐洲核子研究委員會（CERN）的物理學家、英國科學博物館現代科學的哈里·克里夫（Harry Cliff）認為，粒子質量增加產生的效應類似於時空膨脹，這非常不可思議令人震驚。“利用兩種不同的方法思考同一問題往往會引發新的見解，” 克里夫說道。“例如弦理論都是類似這樣的‘二元性’，這使得理論學家能夠選擇使得計算更加簡單的觀點。”

如果威特瑞奇教授的觀點是正確的，它將為思考宇宙的新方式鋪平道路。如果幸運的話，我們或可能獲得革命性的新觀點，正如一個世紀前哈勃提出的觀點一樣。

霍金的答案

即便到了那個時候，宇宙的演化也沒有停止，因為黑洞的生命也不是永恆的。人們剛開始研究黑洞時，認為它是個無比貪婪的傢伙，會吃掉落入其魔爪的任何東西，而且一毛不拔，任何形式的能量和物質都逃不出來。後來的研究者改變了這一看法。

談黑洞的性質就不能不談到霍金。史蒂芬·霍金1942年1月8號出生於英國的牛津，而300年前的1月8號，恰好是伽利略逝世的那一天。霍金在牛津大學畢業後，到英國的另一所著名大學劍橋大學讀研究生。1962年春天的一個下午，他忽然發現自己連繫鞋帶都很困難。經過醫生的診斷，他得了肌萎縮性側索硬化症，換句話說，是一種不治之症，醫生遺憾地告訴他，他的生命還有兩年的時光。霍金開始時非常沮喪，同患了絕症的其他人一樣，借酒消愁。很快，霍金就從這種狀態中擺脫出來，對宇宙命運的關注使他忘記了自己還有多少時光。而上帝似乎也忘記了霍金的人間歲月的長短，任由他的思想在宇宙中遨遊。到20世紀70年代初，霍金的雙手已基本癱瘓，他不能畫圖，也不能書寫算式。於是他自創了一種研究方法，用思維來畫圖與計算。他將公式想像為各種圖形，在他的思維世界裡，通過圖形的變化來代替用筆來計算。這種獨特的思維方式幫助他發現了黑洞的性質：黑洞的表面積永遠不會縮小。不久，他又發現，黑洞並不完全是“黑”的，黑洞的巨大引力能把宇宙中的粒子對（分別帶有負能量和正能量的粒子）中的那個帶負能量的粒子吸入黑洞，使黑洞的質量減小；而另一個以輻射的形式向外逃逸，從而被外部的觀測者發現。這就是黑洞輻射的機制。

霍金的宇宙模型是一個封閉的無邊界的有限四維時空，並沒有給上帝留出位置。不過羅馬教廷仍然推選他作為教廷科學院的院士，因為他支持大爆炸理論，而“支持大爆炸理論的人，都是教會的朋友。”教會甚至要授予霍金一枚獎章。但是霍金對教會審判伽利略還是耿耿於懷，堅持要在領獎前看一眼教會圖書館中保存的審判伽利略的記錄。最後，教會讓步了。伽利略被宣布無罪。

宇宙膨脹率

美國天文學家首次直接觀測到了一顆造父變星的直徑變化，從而能直接計算它與地球之間的距離。這將有助於更精確地測量各星系與地球的距離，“校準”宇宙膨脹率。宇宙膨脹率造父變星是亮度會發生周期性變化的一類恆星，北極星就是其中之一。據認為，這類恆星會像做“深呼吸”一樣不斷膨脹與收縮，產生光變。觀測發現，造父變星的光變周期與其真實亮度（絕對光度）有關，因此從地球上觀測到的亮度（視星等）同它們與地球的距離相關。如果得知一顆造父變星與地球間的確切距離，利用其它造父變星的視星等與絕對光度數據，就可以推算出這些變星的距離，從而確定它們所在的星系與地球的距離。而星系距離正是計算宇宙膨脹率的基礎。但離地球最近的造父變星——北極星離地球也有幾百光年，難以用傳統的視差法直接測量其距離。以往科學家只能用間接方法估算含有造父變星的星群的距離，進而推斷其它星系的距離。美國加州工學院帕洛馬天文台的科學家在最新出版的英國《自然》雜誌上報告說，他們採用“光學干涉測量”技術，使兩台小型望遠鏡發揮一台大型望遠鏡的效果，直接觀察到了“雙子座澤塔”造父變星的膨脹與收縮。“雙子座澤塔”是迄今發現的最亮的造父變星之一，離地球約1000光年。利用它的尺寸變化與亮度數據，就能直接計算它與地球的確切距離。在此基礎上，科學家可以更精確地計算其它含有造父變星的星系與地球的距離。