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不断膨胀的宇宙（第1页）

不断膨胀的宇宙

中国古代就有“盘古开天”的神话故事，而古代西方国家也有上帝创造世界的传说，这些都是人们关于宇宙诞生的想象。虽然没有任何依据，但也表达了人们对神秘宇宙的极大兴趣。

在科学界，科学家们把观测所及的宇宙称为“我们的宇宙”。然而科学家们通过多年的观测，发现了一个惊人的情况：我们的宇宙正在不断地膨胀。

*哈勃定律

早在1912～1917年期间，美国天文学家斯莱弗就用口径60厘米的望远镜在洛韦尔天文台观测天体。意外的是，他发现除了仙女座大星云和另一个星系正向我们奔来之外，他所研究的15个星系中，有13个星系都在离我们远去，因为这13个星系的光谱中都发现了红移。这些星系退行的速度可达600多千米每秒。

几年后，通过2。5米口径的望远镜观测天体，哈勃也证明了许多星云属于银河系以外的天体系统。在这之后的1929年，哈勃又发现了“哈勃定律”，该定律一经提出即震惊了世界，并迅速为世人所熟知。

“哈勃定律”是验证宇宙膨胀工作的开始阶段，其涉及到的星系数目、视向速度和距离都很有限，因此核实“哈勃定律”还需要进行进一步的观测工作。于是哈勃与他的同事们密切合作，开始了深入的研究观测。哈勃与他的同事在1931年联名发表了一篇文章，这篇文章使观测资料得到扩充，并进一步证明了“哈勃定律”。

然而，人们对于“哈勃定律”的含义及星系都在退行的问题一直存在困惑。退行速度随星系变远而加快，这一奇怪现象也让科学家们难以理解。不过，通过回顾历史和对爱因斯坦相对论的认真分析，宇宙学家终于找到了问题的答案。

*加速宇宙膨胀的“神秘物质”

人们注意到，早在1917年，荷兰天文学家德西特就证明了推论，该推论是由爱因斯坦在1915年发表的广义相对论得出的，即宇宙的某种基本结构可能正在膨胀，并且有着恒定的膨胀速率。

科学家认为，宇宙起源于一次137亿年前之间的难以置信的大爆炸。这是一次不可想像的能量大爆炸，宇宙边缘的光要花120～150亿年的时间才能到达地球。大爆炸散发的物质在太空中漂游（由许多恒星组成的巨大星系就是由这些物质构成）。人们原本认为宇宙会因引力而不再膨胀，但科学家已经发现了宇宙中有一种会产生斥力的“暗能量”，可以加速宇宙的膨胀。

大爆炸后的膨胀过程源于一种引力与斥力之争，爆炸后产生的动力使宇宙中的天体不断远离，是一种斥力；而天体间又存在着阻止天体远离甚至力图使其互相靠近的万有引力，引力的大小与天体的质量有关。因此，宇宙中物质密度的大小决定了大爆炸后的宇宙最终是不断膨胀，还是会停止膨胀并反过来收缩变小。如果宇宙中物质的平均密度比临界密度小，宇宙就会持续膨胀下去，称为开宇宙；如果物质的平均密度比临界密度大，膨胀过程迟早会停下来，并随之出现收缩，称为闭宇宙。

问题似乎变得简单了，但实则不然。理论临界密度经科学家计算后为5×10－30克厘米3，但实际上并不容易测定宇宙中物质平均密度。星系间存在广袤的星系间空间，如果把目前所观测到的全部发光物质的质量在整个宇宙空间平摊开来，那么平均密度就只有2×10－31克厘米3，这要远远低于上述临界密度。

然而又有种种证据表明，宇宙中还存在着所谓的“暗物质”尚未观测到，它们可能要远远超过可见物质的数量，这给测定平均密度又带来了许多不确定性。因此，在宇宙的平均密度是否真的小于临界密度的问题上，仍然存在争议。不过就目前来看，开宇宙的可能性更大一些。

*对闭宇宙的想象

闭宇宙的结局又如何呢？在闭宇宙中，宇宙平均密度的大小决定了膨胀过程的结束时间早晚。如果平均密度是临界密度的两倍，根据一种简单的理论模型，那么经过400～500亿年后，即当宇宙半径扩大到目前的两倍左右时，引力开始占优势，膨胀则会停止，而宇宙接下来便开始收缩。宇宙收缩几百亿年后，其平均密度又大致回到目前的状态，不过向地球接近的运动将取代原来星系远离地球的退行运动。再过几十亿年，宇宙背景辐射会上升到400开以至更高，于是宇宙变得炽热而稠密，收缩的速度也越来越快。

星系在收缩过程中也会彼此并合，恒星间频繁碰撞。一旦宇宙温度上升到4000开，电子就会从原子中游离出来；达到几百万度的温度时，所有中子和质子从原子核中挣脱出来。很快，宇宙就进入了下个阶段——“大暴缩”，一切物质和辐射被极其迅速地吞进一个区域（密度无限高、空间无限小），回复到大爆炸发生时的状态。

当然，这些缺乏必要的科学证据，目前还都是想象。至于宇宙究竟是膨胀还是收缩，还有待于科学家们的继续研究探索。

延伸阅读——“宇宙岛”之争

1917年，美国威尔逊山天文台的里奇等人，在旋涡星云NGC6949的一张照片上发现了一颗新星。他们在随后的两个月中查对了该照相底片，找到了11颗新星，同时柯蒂斯也参与了新星的搜寻工作。他们在NGGC4321等星云中发现了不少新星。柯蒂斯认为，新星的出现正是这些旋涡状星云实际上是恒星系统而不是气体云的证明。另外，这些新星极其暗弱，所以他认为星云应该是银河系以外的天体，极其遥远。

1920年4月26日，在美国科学院，由当时的威尔逊山天文台台长海耳发起召开了“宇宙的尺度”辩论会。会上，沙普利和柯蒂斯代表对立的双方展开了激烈的辩论，但双方都未能以充足的理由说服对方，最后不了了之。

从辩论中，美国天文学家哈勃感到大家并不十分了解这些爆发的性质，无法说清，而造父变星测距这把量天尺更为可靠。他在1923～1924年用照相的方法在仙女座大星云中找到了不少造父变星，并且对它们的光变周期和视星等进行了测量，定出了仙女座大星云的距离，证明它是在银河系之外。哈勃的测量结果为大多数天文学家所接受，河外星系确实是存在的。后来，这个结论在更多的研究中不断充实，人们对宇宙的认识也从此登上了一个新台阶。