我們知道哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙在膨脹的直接證據(jù)，就是哈勃發(fā)現(xiàn)在大尺度上所有的天體都在遠(yuǎn)離我們，這也不是我們把它們都得罪了，我們也不是這么讓人討厭啊。天體遠(yuǎn)離我們的速度和離我們的距離成正比，離我們越遠(yuǎn)跑的越快，這個(gè)距離和速度的比值就是哈勃常數(shù)。之所以被稱之為常數(shù)，那就是因?yàn)樗蛔兓?，所以叫常?shù)。但實(shí)際上哈勃常數(shù)真的不會(huì)變嗎？未必啊。首先在宇宙大爆炸初始階段有過暴脹，那時(shí)候膨脹速度大的嚇人，遠(yuǎn)超過光速了，然后過了這個(gè)階段之后膨脹速度就降下來了，大概在60億年前暗能量壓倒了引力，我們的宇宙就開始加速膨脹了，但這個(gè)過程里膨脹速度顯然是有變化的，換句話說就是哈勃常數(shù)是有變化過的，因此哈勃常數(shù)不是一個(gè)常數(shù)。 我們現(xiàn)在的可視宇宙大小就是哈勃常數(shù)的倒數(shù)，再遠(yuǎn)的區(qū)域我們就看不到了。假如在我們視邊界的邊緣上那星系的退行速度就等于光速了，那發(fā)出來的光永遠(yuǎn)也到不了我們的眼睛里，我們也就當(dāng)然沒辦法看到了。但既然哈勃常數(shù)不是常數(shù)，它是變化的，那就只能叫參數(shù)，如果將來哈勃參數(shù)變小了那原本在視野之外的天體就很可能又飄到了我們視野之內(nèi)，因?yàn)槲覀兊目梢曈钪娣秶笮∈菚?huì)變化的，原來不在可視范圍內(nèi)，它將來就有可能到可視范圍內(nèi)了，所以現(xiàn)在看不到的天體將來未必也看不到，這是有關(guān)宇宙大爆炸的一個(gè)很常見的問題。 有人就會(huì)問我們的宇宙不是只有138億光年大小嘛？因?yàn)楣馑倬褪撬俣鹊臉O限嘛，這宇宙138億年的年齡那光速最多也就跑了138億年。其實(shí)我們的可視宇宙范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于138億光年，138億年是宇宙的年齡，因?yàn)橛钪娼?jīng)歷過一個(gè)非?？斓呐蛎浧?，它自身的膨脹速度是不受光速限制的，因此我們現(xiàn)在的可視范圍是遠(yuǎn)超138億光年，大概有400億光年的可視半徑，只不過這么遠(yuǎn)的地方發(fā)出來的光到我們這就太弱了，就必須借助長時(shí)間曝光才能看到那些最微弱的影像。最著名的那個(gè)哈勃望遠(yuǎn)鏡就搞過好多次深空場拍攝，最長的那次連續(xù)曝光50天的極深場拍攝，就拍到了一大堆星系，這些星系離我們都非常遙遠(yuǎn)。我們看到的可見光部分其實(shí)就是這些星系原本的紫外光部分經(jīng)過紅移，這紅移太大了導(dǎo)致這些紫外光變成了可見光波段才被我們眼睛看到，這其中有一個(gè)非常暗淡的小紅點(diǎn)，這是我們能看到最遙遠(yuǎn)的星系了，離我們大約有315億光年。這個(gè)紅點(diǎn)非常寂寞，因?yàn)樗挲g實(shí)在太大了，而跟它年齡相仿的星系非常少，它誕生于大爆炸后的4.8億年，那時(shí)候宇宙還才剛開始，等到6.5億年年齡的時(shí)候這星系一下子才多起來。科學(xué)家數(shù)了一下，還有幾十個(gè)，大概是60多個(gè)類似這種星系。顯然在4.8億年到6.5億年之間一大堆星系就形成了。當(dāng)然了，我們能收到最遠(yuǎn)的電磁波那就是宇宙微波背景輻射了，這是大爆炸后38萬年生成了，那時(shí)候溫度剛下降到光子能自由穿梭的時(shí)代，宇宙里的光子們就能自由愉快的跑了，要放以前全是障礙物，跑都跑不動(dòng)。這再早的光線我們就沒辦法看到了，因此微波背景輻射就是一個(gè)非常重要的東西，也是一個(gè)很值得挖掘的寶藏。 哈勃深空場 哈勃在望遠(yuǎn)鏡里看到的遙遠(yuǎn)天體都伴隨著巨大的紅移，那一開始哈勃認(rèn)為這些紅移是多普勒效應(yīng)造成了，這個(gè)前面我們說過，而到目前為止還有很多科普書也是這么說的，還有不少科普節(jié)目介紹宇宙大爆炸的紀(jì)錄片也是這么說的，還拿聲音的多普勒效應(yīng)做演示，比如說國外那個(gè)著名的科普頻道紀(jì)錄片描述紅移的時(shí)候就是用飛馳過來的汽車當(dāng)例子，有鳴著喇叭的汽車開過來從你身邊開過去，你就能明顯感覺汽車?yán)嚷曈幸粋€(gè)變調(diào)，開向你的時(shí)候聲音頻率逐漸變高，等遠(yuǎn)離你的時(shí)候聲音頻率又逐漸降低，這個(gè)突變你是能明顯感覺到的，這個(gè)就是多普勒效應(yīng)。然后紀(jì)錄片就告訴你，這光波就和聲波一樣，星球飛向我們的時(shí)候光波頻率會(huì)升高，遠(yuǎn)離你的時(shí)候光波頻率會(huì)降低。我們的確看到有不少天體是有這種現(xiàn)象的，而我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)太陽系外行星也是可以靠這種辦法，比如說有個(gè)恒星，它在那前后移動(dòng)在那晃啊晃，那我們怎么來發(fā)現(xiàn)它呢？它要是左右移動(dòng)那我們還好發(fā)現(xiàn)，如果是前后移動(dòng)我們就要借助多普勒效應(yīng)了，它前移的時(shí)候它頻率會(huì)升高，后移的時(shí)候頻率就會(huì)降低，這個(gè)光波一會(huì)朝前移動(dòng)一會(huì)朝后移動(dòng)，我們就能發(fā)現(xiàn)這東西它在前后晃。 多普勒效應(yīng) 不過這個(gè)大尺度上的宇宙紅移其實(shí)它并不是多普勒效應(yīng)。我們看過全套的哈勃紅移的計(jì)算過程，那是用廣義相對論計(jì)算的，光波的拉長因子就是宇宙的尺度因子，宇宙這個(gè)尺度不變，那么光波在飛行的過程中它其實(shí)也不會(huì)變，宇宙在膨脹，那么光波就會(huì)被拉長，這跟方向就沒任何關(guān)系了，隨便哪個(gè)方向都一樣。宇宙的尺度因子和時(shí)間是有關(guān)系的，隨著時(shí)間的流逝，宇宙的尺度就越大，宇宙的膨脹就是這樣的嘛，而宇宙學(xué)紅移也是這樣啊，光子從星球發(fā)出來的時(shí)候，剛出來那一刻其實(shí)沒有被拉長，它一出來便朝我們飛，因?yàn)橛钪娴呐蛎?，一邊隨著時(shí)間被拉長了，等到飛到我們眼睛里被看到了，這頻率就已經(jīng)降低了。如果是多普勒效應(yīng)那就不是這樣的，假設(shè)發(fā)生的是多普勒效應(yīng)，那天體在遠(yuǎn)離我們，那么這個(gè)光子在離開那個(gè)星球一瞬間，波長就已經(jīng)降下來了，而在跑的過程中它是不會(huì)有變化的。從這一點(diǎn)也能體會(huì)宇宙膨脹的過程，并不是那些天體自己真的在跑，而是我們彼此之間宇宙空間尺度在增大，換句話說就是我們之間的空間自己在冒出來，在彼此之間出現(xiàn)。 宇宙學(xué)紅移則是光波在飛行過程中逐漸被拉長 那這種情況有什么觀測證據(jù)嗎？答案是肯定的。有個(gè)觀測類星體出現(xiàn)的一個(gè)常見現(xiàn)象叫做萊曼-α森林，也叫萊曼線，從類星體的光譜里辨識一下就能發(fā)現(xiàn)好多組氫的吸收線，而且都不是在同光譜的同一個(gè)位置上。這是怎么回事呢？一般來說是這么解釋的，這個(gè)類星體的光在飛向我們的過程中遇到了好幾片冷暗的氫氣云，這個(gè)氫氣云自己不發(fā)光，我們沒辦法直接看到，但是它們會(huì)在類星體發(fā)出的光線上留下吸收譜，因?yàn)轭愋求w體量足夠看清楚，而且離我們夠遠(yuǎn)，那光在路上碰到幾個(gè)這種氫氣云的概率就比較大，如果離我們近碰到氫氣云的概率就比較小了。那好，光在飛向我們的過程當(dāng)中，一邊飛頻率一邊在下降，那么類星體自己的譜線就開始往紅端移動(dòng)了，這時(shí)候半路上碰到一團(tuán)氫氣云，這氫氣云就在光譜上留下了氫的吸收線，那么這個(gè)吸收線跟類星體原本那個(gè)清晰的氫的譜線就不在同一個(gè)位置上，然后光又繼續(xù)往前飛，光波繼續(xù)被拉長，因?yàn)橛钪孢€在膨脹嘛，所以波長就在不斷被拉長，這時(shí)候又碰到第二個(gè)氫氣云，然后再次出現(xiàn)了相同的情況又被吸收了譜線，那這第二次吸收的譜線和前一次吸收的譜線都不是在同一個(gè)地方。反正等光飛到我們眼睛里的時(shí)候我們就看到這光譜吸收線雜七雜八一大堆，數(shù)一數(shù)就能算出來這中間有多少波氫氣云，而且還能算出來移動(dòng)了多少距離，就能算出來大致氫氣云離我們的距離，這一大串的吸收譜線就叫萊曼-α線叢也叫萊曼α森林。 萊曼α森林 假如這個(gè)哈勃紅移就是多普勒效應(yīng)而不是被宇宙膨脹拉長的話，那么光波飛離天體的時(shí)候頻率就一步降到位了，在飛行過程中頻率不會(huì)變，不管過多少氫氣云，吸收譜線就固定會(huì)吸收那幾個(gè)位置，它不會(huì)分開，所有線都在同一個(gè)位置，而現(xiàn)在肯定就不是這么回事，所以這就要澄清一個(gè)概念，這宇宙學(xué)大尺度紅移并不是多普勒效應(yīng)，那是因?yàn)橛钪嬖谂蛎洠饾u把光波拉長的。這無論從廣義相對論的計(jì)算上還是從天文的實(shí)際觀測上都證實(shí)了這一點(diǎn)。但還有一種情況也會(huì)使天體看起來發(fā)紅，這叫做星際消光。 宇宙空間彌漫著很多氣體和微粒，這就使得光線被散射、紫外光波長最短，它碰到障礙物那對光波來說就已經(jīng)很大了，很容易就被散射到。因?yàn)榧t光波長大，那些小顆粒小氣體對它來說根本就不是事，它直接就能繞過去，因此吸收最少。我們每天看到日出日落時(shí)候黃昏的那種光線就是由于大氣消光引起的。宇宙間雖然氣體的密度很低，宇宙空間幾乎是高真空嘛，那架不住大尺度距離太遠(yuǎn)了，但如果都聚到一起那氣體啊塵埃啊還是有不少的，所以說要想知道很多天體真實(shí)的顏色就必須把消光的成分考慮進(jìn)去。但是這個(gè)發(fā)紅和紅移的發(fā)紅不是一回事，這個(gè)光譜本身沒有移動(dòng)，僅僅是光線里藍(lán)色部分被削弱了，而紅光部分沒怎么減弱，所以才會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題，所以說這個(gè)并不是紅移，僅僅是顏色看起來發(fā)紅。 還有一個(gè)可能人們會(huì)對宇宙大爆炸有疑問的地方，那就是為什么宇宙膨脹，那我們周圍的天體都沒膨脹，我們自己也沒膨脹。如果說都在一起等比例膨脹的話，那我們應(yīng)該沒法察覺才對。那事實(shí)的確如此，假設(shè)大伙都在等比例膨脹那就等于沒膨脹。那首先就要理解一下這個(gè)哈勃常數(shù)，那就是說距離和遠(yuǎn)離我們的速度是成正比的，就膨脹速度而言，我們?nèi)伺c人之間這點(diǎn)距離要放到宇宙尺度面前那簡直就是可以忽略不計(jì)的。想想看，兩個(gè)人之間這點(diǎn)速度幾乎為零，那小的根本沒辦法計(jì)算，那膨脹速度如此之小，很輕松就被其他力給打敗了，比如說萬有引力就能輕松搞定這事，還比如電磁力，我們身體結(jié)構(gòu)什么的都是電磁力在管，這根本就不受影響。引力看上去雖然很弱小，但是它也能輕松管控星系團(tuán)之內(nèi)的事，在星系團(tuán)之內(nèi)的尺度它是不會(huì)膨脹的。我們的銀河系和仙女星系相互吸引，還在相互靠近，在這200萬光年的尺度內(nèi)，引力還是占據(jù)了決定性的作用，這膨脹就顯示不出來了。在更大尺度之內(nèi)，星系團(tuán)以上的那種尺度，這還是能看出來膨脹的，所以它這個(gè)作用其實(shí)非常微弱，隨便什么力就能擊敗它，所以我們自身細(xì)胞之間啊啥的是完全感受不到膨脹的存在。 以上就是幾個(gè)常見的問題，比如什么宇宙學(xué)紅移是不是多普勒效應(yīng)啊，還是被拉長了啊，很多人搞不清楚，還有就是既然宇宙會(huì)膨脹那我們?yōu)槭裁礇]膨脹，這也是個(gè)問題。包括很多科普書自己都沒搞清楚，其實(shí)這也不奇怪，畢竟宇宙大爆炸還有很多謎團(tuán)沒有解開，而且這東西要理解起來也比較深?yuàn)W?，F(xiàn)在一般都是從微波背景輻射里挖信息，前兩年歐洲人發(fā)射了普朗克探測器，這就是為了仔細(xì)檢測微波背景輻射里微小的起伏，這個(gè)普朗克探測器比那個(gè)威爾金森探測器更加精確，那張圖就被畫出來了。根據(jù)普朗克探測器的數(shù)據(jù)，宇宙的年齡大概被鎖定在138億年左右，那就比原來的數(shù)據(jù)大了1億年，這其實(shí)是在誤差范圍之內(nèi)，畢竟2%的數(shù)據(jù)誤差范圍嘛，稍微大一點(diǎn)點(diǎn)問題也不大。這暗能量的數(shù)量稍微下降了一點(diǎn)，大概不到7成，具體是68.3%，暗物質(zhì)比例就稍微有點(diǎn)提高了，有26.8%，普通物質(zhì)就占了4.9%，也稍微提高了一些。反正暗能量有下降，其他部分就在上漲，這樣一來測算出宇宙膨脹速度就要比以前要低，原來是70，現(xiàn)在是67，差了這么一點(diǎn)點(diǎn)。 那這兩次觀測數(shù)據(jù)異常，這差異說明了什么呢？有人就認(rèn)為這恰好說明了哈勃常數(shù)它不是常數(shù)，是會(huì)變的，但是也有人不贊同這個(gè)觀點(diǎn)，這好像變得也太快了點(diǎn)，哈勃常數(shù)也沒這么容易就變，我們還看不出它是個(gè)變量。就算它要變那也是在幾十億年這種時(shí)間尺度下去變，我們這幾年能變個(gè)啥出來。因?yàn)闇y量哈勃常數(shù)本身就很難，這屬于一個(gè)比較難測的物理量了。在物理上還有比較難測的物理量就是萬有引力常數(shù)，因?yàn)槟銢]辦法去規(guī)避所有的干擾，所有東西都在干擾你的測量，引力是沒有辦法屏蔽的，啥都能給穿透，因此測量出來的精度就比別的量要差。不過微波背景輻射頂多也就是把探測時(shí)間推到了宇宙誕生后38萬年，要想再往前推是不可能了，因?yàn)檫@是我們電磁波觀測的極限。在此之前電磁波是無往不利的，結(jié)果現(xiàn)在就吃癟了。那有沒有啥東西可以不受極高溫影響，可以暢通無阻呢？肯定有啊，這就是中微子。假如說我們能解碼中微子，那我們就可以檢測到宇宙大爆炸后幾秒鐘之內(nèi)發(fā)生了什么事。我們前面也說過，要探測中微子好像很麻煩，這東西要檢測起來就非常麻煩。目前這方面還沒什么突破，除了中微子能有極強(qiáng)的穿透性之外，還有一種東西穿透性也極強(qiáng)，那就是引力波。 沒什么東西能擋住引力波，因?yàn)橐Ρ旧砭褪菚r(shí)空扭曲，那么引力波就是時(shí)空扭曲引起的漣漪，就是時(shí)空扭曲引起的一個(gè)個(gè)水花。愛因斯坦最早預(yù)言了引力波的存在，因?yàn)橐Σň蜕婕暗揭α孔踊膯栴}，假設(shè)引力波是存在的，那引力就必定可以量子化。電磁波就是可以量子化的，電磁波可以量子化之后我們就可以得到光子，那引力能量子化后就必定能得到引力子，那么四種基本力就可以建立統(tǒng)一的模型，整個(gè)宇宙的大統(tǒng)一理論就有希望去建立，不過這也僅僅是有希望而已，那要走出這條路還是很復(fù)雜的，愛因斯坦后半輩子就努力搞這事也沒能搞定。像霍金他們計(jì)算霍金輻射啊黑洞啊黑洞熵啊什么的，用的都是彎曲時(shí)空量子場論，因?yàn)閷τ谒麄儊碚f引力是沒有辦法量子化的。那我現(xiàn)在要算東西，我就退而求其次，就先不把引力量子化，引力你繼續(xù)是時(shí)空彎曲，剩下其他東西都是量子化的，這就是叫彎曲時(shí)空量子場論，就是從這下手的?，F(xiàn)在好多理論，比如最熱門的弦論就是一個(gè)大統(tǒng)一理論，基本就是奔著這個(gè)目標(biāo)去了，這理論啥都給你搞定。還有就是圈量子理論，這圈量子理論就是要把引力的問題給解決，它就是要把引力量子化。那有啥好處呢？這就比弦論稍微簡單點(diǎn)，沒弦論那么多維度，它只要四個(gè)維度就可以了。但是它僅僅只能走到引力量子化這一步，它不像弦論啥都給包了，是個(gè)大統(tǒng)一理論，這個(gè)圈量子理論不是這樣的，這東西到現(xiàn)在都還沒個(gè)定論，弦論這東西很玄乎嘛。 如果能在宇宙里實(shí)實(shí)在在檢測到引力波那就再好不過了，所以很多人都在惦記著檢測引力波，科學(xué)家們就在太空觀測的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星，這兩個(gè)脈沖星相互圍繞旋轉(zhuǎn)。脈沖星都是都是中子星，那密度是非常高的，直徑在十公里上下，密度是大的驚人。那兩顆脈沖星相互圍繞旋轉(zhuǎn)，它們直徑又小，它們就可以靠地非常近，靠的近的話引力就會(huì)非常強(qiáng)，要想互相不撞到一起就得旋轉(zhuǎn)速度非常快，所以脈沖雙星就轉(zhuǎn)的非?？?。按照引力波理論，這倆脈沖星靠這么近又轉(zhuǎn)這么快，那應(yīng)該有引力波輻射出來，所以它們倆互相圍繞旋轉(zhuǎn)的話能量就有損失，這么算起來它們就會(huì)越轉(zhuǎn)越慢，隨著越轉(zhuǎn)越慢它們就會(huì)越來越靠近，最后就會(huì)撞到一起。目前檢測下來，脈沖雙星的變化規(guī)律和引力波的理論符合的很不錯(cuò)，就說如果脈沖雙星一直在轉(zhuǎn)的話它就會(huì)不斷輻射出引力能量，然后它自己的旋轉(zhuǎn)能量就會(huì)減少，它們之間就會(huì)慢慢靠近，這個(gè)規(guī)律我們用引力波去算符合的非常好，這是一個(gè)重要的旁證而不是一個(gè)直接的證據(jù)。如果能直接觀測到引力波的話那就太好了，因此有很多國家的實(shí)驗(yàn)室都想檢測引力波，但是這么多年過去了，基本啥都沒測到。到底是靈敏度不夠還是什么其他的原因呢？或者說這引力波根本就不存在而是愛因斯坦算錯(cuò)了？還是什么其他的原因？這就麻煩了，理論物理界這會(huì)又出大事了。 脈沖雙星 那這個(gè)引力波到底要怎么探測呢？其實(shí)說復(fù)雜也復(fù)雜，說簡單也簡單，這只是一個(gè)幾何學(xué)的問題。欲知后事如何，請看下回分解。
