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科学网宇宙膨胀背后的故事(廿九):宇宙的膨

文章出处:真正威尼斯人平台 人气:发表时间:2020-03-06 13:56

1990年代是天文学又一个激动人心的年代。1990年4月24日,“发现”(Discovery)号航天飞机升空,在卫星轨道上装置了人类第一台遨游太空的天文望远镜,以现代最著名的天文学家命名为“哈勃太空望远镜”(Hubble Space Telescope)。

即使是在难得的晴空万里的黑夜,即使是在海拔数千米的高山之巅,地球上的望远镜都会受到大气层的影响。大气层不仅吸收了大量的星光(尤其是微波、红外、紫外等波段的电磁波),而且即便是微弱的气流搅动也会造成相片的模糊失焦。在现代化的镜片制作、电子成像工艺精益求精之后,天文望远镜的精度已经达到极限,大气层成为最大的障碍。

早在1920年代火箭技术刚刚起步时,就有人提出现代的运载火箭有一天能将天文望远镜送上太空,彻底摆脱大气层。1946年,年仅32岁的美国人斯皮策(Lyman Spitzer)发表论文,系统地阐述了太空望远镜的设计。一年后,他接替导师罗素担任普林斯顿天文台台长(他也是著名的普林斯顿受控热核聚变实验室的创始人)。其后几十年,他一直在美国航天局领衔推动这个梦想的实现。

与哈勃本人早年的经历相似,哈勃望远镜的亮相有过颇多磨难。1986年“挑战者”号的灾难迫使航天飞机整体停飞两年多,哈勃望远镜也不得不在仓库中被冷藏了四年。终于进入轨道后,它又被发现镜片制作不当,拍摄的照片散光、模糊,没达到设计要求。1993年,“奋进”(Endeavour)号航天飞机再度造访轨道上的哈勃望远镜。宇航员经过一番复杂的太空操作为它添加了一副矫正镜片。戴上眼镜之后的哈勃望远镜终于大放光彩,不仅在科学发现上屡建奇功,而且连年拍摄出大量丰富多彩的天文照片,令爱好科学的大众惊艳不已。

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在太空轨道上傲视天穹的哈勃天文望远镜。

今天,人们提到“哈勃”时,他们指的大多是天外的那台望远镜,而不是近100年前威尔逊山上的那位少校。作为个人的哈勃早已悄悄地离开了这个世界,在地球上没有留下痕迹。但从1990年起,他的墓碑已经超脱地球的羁绊,独自在太空中翱翔;犹如他的魂灵,永恒地凝视着深邃的宇宙,捕捉、收集来自远方、来自远古的微弱星光。

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1996年,普林斯顿借250周年校庆之机举办了一系列活动。夏天,他们邀请天文学家在那里济济一堂。特纳、皮布尔斯等新生代“无赖宇宙学家”接连发言,企图复活普林斯顿老前辈爱因斯坦当年那无中生有的宇宙常数。他们从理论上论证,宇宙中存在的物质、暗物质不足以解释宇宙的平坦,需要宇宙常数帮忙。

科什纳主持了特纳与其他理论家的一场辩论。之后,他转向珀尔马特,问他的看法。珀尔马特没有纠缠理论,表示他可以谈谈他们遥远超新星测量的结果。

作为天文学家的哈勃最著名的是他发表的星系速度与距离关系图,显示星系远离我们而去的速度与它们的距离的数据点构成一条直线,即成正比。虽然勒梅特曾更早地发现这个规律,这个图还是被称作“哈勃图”;正比关系即“哈勃定律”。那条直线的斜率便是“哈勃常数”——宇宙年龄的倒数。

哈勃那时的数据有限,误差也相当大。所以他那张图上数据点发散,与他画的直线之拟合颇为勉强。温伯格后来评论说哈勃发现正比关系其实是出自他本人的主观愿望。好在那之后的几十年里,桑德奇等一整代天文学家以越来越多的数据、在越来越远的距离上证实了哈勃定律。从1920年代哈勃、胡马森力所能及的几百万光年距离到1990年代珀尔马特追求的几亿光年外超新星,哈勃图上的直线不断地延伸,经受了历史的考验。

果然,珀尔马特在会上拿出的他们最初七颗超新星也都处在那条(再度伸长后的)直线上。皮布尔斯当即表示:如果这些数据成立,他们刚刚还正在鼓吹的宇宙常数理论就完结了。

哈勃定律的正比关系可以用一个膨胀中的气球形象地描述:在一个均匀膨胀中的气球表面,任何两点拉开的速度与它们之间的距离成正比。不过,宇宙还有一个气球式的日常经验不具备的因素:时间。

因为光速有限,我们抬头看到的太阳其实只是八分钟以前的太阳。同样,几亿光年之外超新星的亮光、红移给我们带来的并不是它们今天正在离开我们的速度,而是几亿年前它们所在之处的膨胀速度。当然,如果宇宙膨胀的速度像阳光一样恒定不变,这个时间差即使巨大也没有影响。

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