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1700926130 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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1700926132 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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1700926134 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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1700926136 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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1700926138 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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1700926143 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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1700926145 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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1700926147 ν=H0×d
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1700926149 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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1700926151 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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1700926153 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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1700926155 时间=距离/速度
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1700926157 时间=30900000000000000000千米/558千米每秒=18亿年
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1700926159 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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1700926164 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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1700926166 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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1700926168 第二组测量数据是关于星系NGC 379的,该星系距离2300万光年,这就是为什么它在照片上的影像会比NGC 221小。关键是,钙的吸收线(方框内)向右偏移得更远,这意味着更大的红移——确实,它的退行速度为1400英里/秒(2250千米/秒)。NGC 379要比NGC 221远26倍,速度快27倍。因此,速度的增加大致与距离的增加成正比。
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1700926170 第三组测量是关于双子座星系群的。其距离有135亿光年。钙线(方框内)甚至右移得更远,这表明它有更大的红移,推得的速度为14300英里/秒(23000千米/秒)。它要比NGC 221远大约100倍,速度快约100倍。
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1700926172 天文学家曾经不得不认可宇宙在最低水平上的演化,因为他们亲眼目睹了这一变化,如新星和超新星的出现。但是天文学家一直认为,垂死的恒星是对在其他地方出现的新生的恒星的补偿,从而维护了宇宙的整体稳定和平衡。换句话说,偶尔出现的新星不会改变宇宙的整体性质。然而,这最新数据却暗示了一种宇宙在整体尺度上的不断演化。哈勃的观测和他的膨胀定律意味着宇宙在整体上是动态的和不断演化的,随着距离增加,并且随着时间的推移,宇宙的总体密度呈下降趋势。
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1700926174 很自然,天生的保守性意味着大多数宇宙学家拒绝接受宇宙膨胀和创生于某一时刻的想法,正如当年有人反对星云是遥远的星系,或反对光速有限,或反对地球围绕太阳旋转时一样。
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1700926176 至于对前赶驴的脚夫而言,这种冠冕堂皇的讨论并没有打扰他。当赫马森测得红移后,他的工作已经完成,他们的解释不是他所关心的:“我一直都相当高兴,因为我的这部分工作,你可以说,是基础性的,它永远不会被改变——无论什么样的决定认为它有什么意义。这些线条总是在那里,无论我怎么测量。它们的速度,不论你称它为这个也好,或叫红移也好,或是它们最终被称为什么东西也罢,总是一直保持不变的。”
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1700926178 值得再次强调的是,哈勃也绕开了任何猜测。他可以提供测量结果,但他没有参与宇宙学的辩论。哈勃和赫马森的科学论文中包含了以下声明:“本文作者仅限于描述’视速度-位移’,不冒险涉及对其解释及其宇宙学意义。”
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