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如果哈勃是正确的,那么这个结果的影响就太大了。星系不是随意地在宇宙中奔驰,而是其速度与其距离有严格的数学关系。当科学家们看到这一关系后,他们将寻找更深层次的意义。在眼下的这种情形下,其意义无非是认识到宇宙中所有星系在历史的某个点上是被压缩到一个很小的区域内的。这是关于我们现在所称的大爆炸的第一个观测证据。是曾经可能存在过创生那一瞬间的第一条线索。
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图60 本图给出了哈勃的第一组显示星系的多普勒频移的数据(1929年)。横轴表示距离,纵轴表示退行速度,每个点代表一个星系的测量结果。虽然不是所有的点都落在一条直线上,但有一种普遍的趋势。这表明,星系的速度正比于它的距离。
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哈勃的数据与宇宙创生时刻之间的联系是简单的。取定当今以某个速度飞离银河系星系的某个星系,让我们看看如果我们将时钟倒拨回去会发生什么。昨天的这个星系肯定比现在要接近银河系,上周它更接近,等等。事实上,用其速度除以到银河系的当前距离,我们就可以推断出该星系何时位于我们的银河系的上方(假设它的速度保持不变)。接下来,我们选择一个其距离是前一个星系距离的两倍远的星系,经过同样的处理,便可知它在什么时间处在我们的银河系的上方。由哈勃的上述图表可知,一个两倍远的星系其速度也是前一个星系的速度的两倍。所以,如果我们将时钟倒拨回去,将发现第二个星系恰在与第一个星系相同的时刻返回到银河系。事实上,如果每一个星系都有一个正比于其到我们银河系的距离的速度,那么在过去的某一时刻,它们都会同时被定位在我们银河系的上方,如图61所示。
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图61 哈勃的观测意味着宇宙存在创生的那一刻。图(a)代表宇宙的今天,指向2点钟,为简单起见,图中只画了3个其他星系。星系越远,其退行速度(由箭头的长度表示)越快。但是,如果我们将时钟往回拨,如图(b)所示,那么星系似乎在相互趋近。在1点钟(图(c)),这些星系离我们更近。午夜时分(图(d)),它们都处在我们的上方。这便是大爆炸的开始。
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因此,宇宙中的一切在创生的那一刻显然都是从一个单一的致密区域出来的。如果让时钟从零时向前跑,那么结果便是一个不断演化不断膨胀的宇宙。这正是勒迈特和弗里德曼理论所给出的结果。这就是宇宙大爆炸。
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尽管哈勃收集了这些数据,但他并没有亲自煽动、提倡或鼓励人们去接受大爆炸的含义。哈勃在一篇题为“河外星云的距离与其径向速度之间关系”的6页纸的论文里发表了他的图。头脑顽固的哈勃对宇宙的起源这类猜测和探讨宇宙学的重大哲学问题没有兴趣。他只是想好好观察,并得到准确的数据。这是一样的,在他做出前一次的突破时他也是这么想的。他证实了某些星云的存在远远超出了银河系范围,但这些星云是独立的星系这个结论他留给别人去得出。哈勃似乎因病而无法去发掘他的数据的更深层的意义,这样他的同事便成为解释他的速度与距离的曲线图的人选。
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但不管是谁,在认真揣测哈勃的观察数据之前,他们首先要相信哈勃的测量结果是准确的。这是一个主要障碍,因为哈勃的许多天文学家同行并不信服他给出的图。毕竟,图中的许多点离他的拟合直线很远。或许这些点并不真正位于直线上,而是位于某条曲线上?或是根本就不存在这样的直线或曲线,这些点实际上都是随机的?证据必须是具体的,因为其影响可能十分重大。哈勃需要更好的测量和更多的数据。
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两年来,哈勃和赫马森在艰苦的夜晚继续埋头于望远镜下,他们将这项技术发挥到极致。他们的努力得到了回报,他们设法测量了那些其距离是他们1929年的论文中所测星系距离的20倍的星系。1931年,哈勃发表了另一篇包含一个新的数据图(图62)的论文。这一次,数据点都乖乖地位于哈勃直线上。数据的意义已无可辩驳。宇宙真的是在不断扩张,而且呈系统性方式进行。星系的速度和距离之间的比例关系被称为哈勃定律。它不是一条像万有引力定律那样的严格定律。万有引力定律给出的是两个物体之间相互吸引的引力的精确值,相反,哈勃定律是一条宽泛的描述性法则,它通常是正确的,但也允许有例外。
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图62 如同他的1929年论文中的图(图60)一样,1931年的文章中的图中的每个点代表一个星系的测量数据。比起1929年的数据,这次测量的精度大为改善。特别是,哈勃能够测量距离更远的星系,以至于1929年的论文中的所有数据点都包含在左下角的小方框内。这次很明显,数据点都位于直线上。
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例如,在早期,维斯托·斯里弗就已确定了几个蓝移的星系,这完全违背了哈勃定律。这些星系正接近我们银河系,如果一个星系的速度正比于它的距离,那么它们就应该有一个比较小的退行速度。然而,如果它们的预期速度足够小,那么它们就可能被我们银河系或我们周围的其他星系的引力拉过来。简言之,稍有蓝移的星系可以作为不符合哈勃定律的局部异常被忽略。因此一般而言,我们确实可以说,宇宙中的星系在以与其距离成正比的速度远离我们。哈勃定律可以一个简单的公式给出:
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ν=H0×d
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它说的是:任何星系的速度(v)通常等于其离地球的距离(d)乘以一固定常数(H0),这个常数称为哈勃常数。哈勃常数的值取决于距离和速度所采用的单位。通常速度的单位是千米每秒,但出于专业原因,天文学家常常喜欢用百万秒差距(megaparsecs, Mpc)来衡量距离,1 Mpc等于326万光年,或30900000000000000000千米。在采用百万秒差距单位的情形下,哈勃计算出他的常数为558千米每秒/Mpc。
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哈勃常数的值有两重含义。首先,如果一个星系距离地球是1 Mpc,那么它的行进速度应该大致为558千米/秒;如果一个星系距离地球是10 Mpc,那么它的行进速度应该是大致为5580千米/秒,等等。事实上,如果哈勃定律是正确的话,那么我们只需通过测量它的距离就可以推断出任何星系的速度,或者反过来,我们可以通过其速度计算出其距离。
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哈勃常数的第二个含义是,它告诉我们宇宙的年龄——宇宙中的所有物质是多久以前从单一的致密状态演化来的。如果哈勃常数为558千米每秒/Mpc,那么处在1 Mpc的星系的速度为558千米/秒,所以我们可以计算出要多久星系才会以(假定的)558千米/秒的恒定速度达到1 Mpc的距离。如果我们将距离转换成千米,计算是比较容易的,这一点我们可以做到,因为我们知道,1百万秒差距=30900000000000000000千米。
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时间=距离/速度
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时间=30900000000000000000千米/558千米每秒=18亿年
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因此,根据哈勃和赫马森的观察,宇宙中的所有物质在大致18亿年前被集中在一个相对较小的区域,然后一直向外膨胀至今。这一图像完全与既定的宇宙永恒不变的观点相矛盾。它强化了勒迈特和弗里德曼提出的宇宙始于大爆炸的概念。
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图63 与理想化的吸收光谱(图54)不同,这些光谱是哈勃和赫马森真实测量所得到的谱。虽然很难解释,但每一行显示的是一个星系的吸收波长,右侧是该星系的图像。
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第一个星系NGC 221,距离90万光年。赫马森的光谱测量提供了星系的速度。中央横条状显示了星系的光,方框内的竖直线代表该星系被钙吸收的光的波长。这条竖线的实际位置比它应该所处的正确位置偏右很多,代表了红移(见图59),它意味着星系存在125英里/秒(200千米/秒)的退行速度。位移的程度是相对于NGC 221上方和下方的校准数据测量的。
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