科學美少男
宇宙起源於大爆炸,目前的宇宙正在加速膨脹,沒有被引力束縛在一起的物質結構都是加速遠離我們。這段話是我們經常能看到對宇宙現狀的描述,雖然這句話沒有問題,但很容易被人誤解並想象成,如炮竹爆炸、炸彈爆炸後產生的碎片正在遠離爆炸的中心,所以會讓人覺得宇宙存在中心,甚至是地球就是宇宙的中心,因為我們不管從地球上的那個方向上看,所看到的物質密度以及星系遠離我們的情況都是一樣的。那麼這是否能說明宇宙存在中心呢?或者說地球就是宇宙的中心?
先說下我們如何發現宇宙正在膨脹
其實在牛頓提出萬有引力之前,關於宇宙的狀態,到底是靜止的還是在整體收縮或膨脹,沒有人去考慮這個問題,一方面是由於當時我們對宇宙的瞭解甚少,還存在建立完善太陽系模型的階段,另一方面就是我們根本不知道宇宙中的物質會互相產生吸引力,那麼也就不會去考慮這個吸引力會對宇宙中的物質產生什麼樣的後果。
牛頓萬有引力的提出可以說是牛頓思想的一次巨大的跳躍,因為我們常人每天都能看到物質在地球上下落,但我們根本想不到是物質之間無形中產生了力的作用。牛頓能想到這個問題,是因為牛頓首先對三大定律的提出,以及深刻認識和理解。
我們知道一個物體在沒有受到任何淨外力的情況下,它會一直保持最初的運動狀態,要麼靜止要麼勻速直線運動。根據這一點我們就能知道,一個物體要是沒有受到任何的力,那麼它完全可以漂浮在空中不用往下落,保持自己最初的狀態。牛頓發現任何物體往下落的根本原因是它受到了一個往下的淨力,因此根據這個思想牛頓就提出了萬有引力,兩個物體之間會產生吸引力。
萬有引力的發現就隨即給人們帶來了一個全新的問題,宇宙中的物質互相之間會產生引力,如果在一個有限的空間內分佈著不均勻的物質,那麼宇宙最終會塌縮到一個點上,其實牛頓也考慮過這個問題,但並沒有深入的去研究,畢竟牛頓至死都不知道質量物質之間為何會產生引力。牛頓把它歸功於上帝的傑作。
這個問題一直就延續到了20世紀初的愛因斯坦身上,只要是研究引力的都逃不過這個問題,因為只要有引力的存在宇宙就不可能是靜止的,必須會在引力的作用下塌縮,而愛因斯坦更相信一個靜止的宇宙,因此它在自己的引力方程中加入了宇宙常數這個量來平衡物質所產生的吸引力。愛因斯坦從理論上解決了問題,但真實的宇宙真的是靜止的嗎?
1923年埃德溫·哈勃在威爾遜天文臺觀測了天空中最大螺旋星雲M31,並根據人們已經掌握的變星周光關係發現,這個螺旋星雲距離我們足足有數百萬光年,也就是說之前人們一直認為的銀河系中的模糊星雲,其實是宇宙中獨立的大型星星島嶼,哈勃的發現讓人類的視野和認知走出了銀河系,來到了深邃的宇宙空間。
不僅如此,變星可以為我們測量遙遠星系的距離,而星光發生的紅移(多普勒效應)讓我們知道了遙遠的星系正在遠離我們。至此,我們有了一個充滿星系,並且在不斷膨脹的宇宙。愛因斯坦所認為的宇宙常數其實確實存在,不過不是用來平衡引力效應的,而是用來導致宇宙膨脹的。
那麼宇宙以怎樣的方式膨脹
哈勃發現宇宙正在膨脹的事實,為大爆炸理論的誕生奠定了堅持的基礎,這個其實理解起來也十分簡單,現在的宇宙在膨脹,星系的距離越來越遠,空間溫度越來越低,那麼我們反過來思考,在宇宙的過去,是不是空間越小、物質靠的更近、密度更大、輻射的波長越短、宇宙的溫度越高,這就是大爆炸思想的來源。
不過我們常說的大爆炸指的是物質稠密、溫度更高的宇宙狀態,而不是說真的發生了某種爆炸,而且大爆炸並不是物質在加速遠離對方,而是空間在膨脹導致了物質的互相遠離。這一點我們可以考慮下粘在氣球上的硬幣,當氣球膨脹時,硬幣會互相遠離,而遠離的速度正是和它們之間的距離成正比。
因此,不僅在地球上,我們在宇宙中的其他任何地方看目前正在膨脹的宇宙,都會發現同樣的效果,離我們近的星系遠離的速度慢,離我們遠的星系遠離的速度更快。如果宇宙中有其他的智慧生命,要是以這個方法去判斷宇宙的中心,那麼它們也會認為自己所生活的星球是宇宙的中心。
宇宙為什麼會膨脹,為什麼在地球各個方向上看到的星系密度都是一樣的?
導致宇宙膨脹,也就是空間和時間誕生的過程要早於宇宙大爆炸,這個階段被稱為宇宙暴漲時期,此時的宇宙沒有所謂的物質、反物質和輻射粒子,而是充滿了巨大的真空能量,真空能量導致了宇宙空間呈指數暴漲的開始,在極短的時間內整個宇宙的範圍就膨脹到了銀河系的大小,並且空間的暴漲也將量子波動拉扯到了宇宙的各處。
在暴漲結束以後,真空能量衰變到物質中,也就是真空能量創造了熱大爆炸狀態,這個過程被稱為在加熱階段,而被拉扯到空間各處的量子微小波動誕生了宇宙物質微小的不均勻狀態,這些微小的密度波動就是目前我們能看到的各種物質結構的種子。這也是為什麼我們常說宇宙是各項同性的,各個方向上看,都有相同的物質密度。原因正是,宇宙在誕生時期,熱大爆炸狀態發生在空間各處,而各處的密度波動十分微小,宇宙整體來說是物質分佈是比較均勻的,只存在非常小的密度差異。
如果我們以各個方向同性的觀點來認為地球是宇宙的中心,那麼在其他星球上的生命也會這麼認為。
那麼宇宙到底有沒有中心?
關於宇宙有沒有中心這個問題,科學界一般很少去討論,因為沒有啥實際意義,而解答這個問題常有的方法就是討論我們宇宙的大小以及形狀,就跟我們討論地球的大小和形狀是一樣的。比如,我們知道了地球的形狀,就能知道地球的中心在哪。其實宇宙也一樣。
不過為什麼說討論宇宙沒有意義呢?因為我們通過對宇宙微波背景輻射的觀察,發現這些冷點和熱點光線在穿越了數百億光年到達地球以後並沒有發現其有任何的彎曲,所以我們目前認為可觀測宇宙是十分平坦的。但是可觀測宇宙的形狀是平坦的,就能說明整個宇宙就是平坦的形狀?
並不能!例如我們在地球上看到大地是平的,是否能說明真實的地球就是一個平面?其實這個道理是一樣的,可觀測宇宙的0曲率只能說明真實的宇宙範圍要比可觀測宇宙大得多。所以,只能說我們人類真的是太過於渺小,我們根本無法測量真實宇宙的大小和形狀。也沒有辦法去談論宇宙的中心在哪!所以,科學家不去談論這個問題,畢竟宇宙有多大我們並不知道。
不過可以肯定的是,如果宇宙中沒有更高維度的空間,那麼我們的宇宙肯定存在一箇中心,這裡需要注意的是,我們討論的是我們的宇宙!暴漲理論提出,還有可能存在多元宇宙,而多元宇宙所存在的母宇宙的中心,我們人類是永遠不會知道的。
如果宇宙中存在更高維度的四維空間,而三維空間只是四維空間的一部分的話,那麼我們人類也永遠不會知道宇宙的中心在哪,因為這個中心存在於四維空間中。
量子科學論
在上個世紀二十年代,天文學家哈勃發現,多數星系都具有光的紅移現象。而且,該紅移的大小與星系到地球的距離成正比。哈勃認為,這是光的多普勒效應,類似於火車鳴笛,其離開我們時,笛聲有一個由高到低的變化。
根據觀測,星系的平均紅移約為0.1。由此推論,星系離開我的的平均速度約為光速的十分之一。為了解釋上述現象,哈勃認為宇宙在不斷地膨脹。如果是一個不斷膨脹的氣球,那麼在氣球表面上的任意一點,觀察氣球表面的其他點,都會使速度與距離成正比關係。於是,哈勃將速度替換了距離,得出來紅移與速度之比為一個不變的常數,這就是著名的哈勃常數。
於是,根據氣球模型和多普勒效應,雖然距離我們越遠的星系,它們的移動速度就越快,但卻並不意味著地球是宇宙的中心。在宇宙中任何一點的觀測,其結果都是一樣的,都是在相互的遠離。這就是由宇宙大爆炸得出的結論。
然而,有一個問題,即在徑向方向並不存在距離越遠,速度越快的關係。而且,如果存在著光的多普勒效應,豈不意味著超光速現象存在?對此,哈勃會認為,這是空間的膨脹所導致的。光速相對於空間還是不變的,超光速部分僅只是隨空間漂移的速度。
然而問題是,空間並非是連續的,其是由離散的最小粒子構成的。因此,光子的穿行,不存在漂移的問題。實際上,光子為了保持其相對於空間的速度不變,光速由原來的相對於光源以光速c運動,轉變為相對於空間以光速c運動。光速實際提高了,光子的部分勢能轉化為動能。這就是光的運動紅移。只是,由於光子的本徵質量非常小,所以運動紅移大約只有百萬分之一的量級,不足以說明實際的觀測值。
類似於我們在空氣中奔跑時存在著風阻,光子在量子空間運動時,會與空間量子碰撞,從而損失了能量。這就是光的耗散紅移。該紅移與傳播的距離成正比,與哈勃常數相吻合。因此,星光的普遍紅移是由光的耗散紅移產生的。該現象只意味著量子空間的存在,而與宇宙的膨脹與否無關。而且,耗散紅移消除了徑向速度不變的問題,使紅移與距離之比完全對稱。
其實,真正證明宇宙膨脹的證據,並不是星光的紅移,而是物質的存在!雖然有愛因斯坦的質能變換公式,但目前的變換方向主要是質量轉化為能量。因此,在過去一定存在著某種特定的環境,使能量轉化為質量。這就是宇宙的大爆炸,宇宙膨脹的速度遠大於其內部傳播的速度,從而使局部遠離平衡態,導致了耗散結構的形成,即使離散的空間量子聚集為封閉的物體。這就好比我們用勺子攪動,使杯中的水產生了氣泡。
於是,與運動紅移的解釋相比,不再要求宇宙始終高速膨脹,因而更為合理。因為,持續的高速膨脹,既不符合爆炸的常理,也與星系的穩定存在相矛盾。宇宙的膨脹既快又短暫,其大部分時間都是相對平靜的。宇宙最多隻是緩慢地膨脹,該速度遠小於光速。
總之,星光紅移與距離成正比,並不意味著距離越遠的星系離開我們的速度就越快。其只說明,存在著約束物體運動的量子空間。因此,星光的普遍紅移,與地球所在宇宙中的位置無關。
淡漠乾坤
為什麼遠處的星系比近處的星系的移動速度更快,這是否預示宇宙存在中心?
定於宇宙的起源,現在科學界主流的觀點是137億年前,我們的宇宙存在一箇中心(說是中心也不準確,因為除了這個中心,沒有任何其它空間),這個中心被稱為奇點,隨著奇點的爆炸,在極短的時間內釋放出無數物質和能量,然後這些物質在釋放能量的推動下向四周擴散開來,部分物質在相互引力的作用下開始聚集,逐漸演化為星雲、恆星、行星、衛星等形態以及運行規律多樣的天體,共同構成了繽紛多彩的宇宙世界。
宇宙的膨脹
由於宇宙演化的時間尺度非常大,因此在很長的歷史時期內人們並未發現到宇宙膨脹的現象和證據。直到上世紀20年代,美國天文學家哈勃通過長期的觀測,發現了一個奇怪的現象,那就是距離地球越遠的天體,在它們發出的可見光譜到達地球之後,光譜向紅端移動的幅度就越大。
在之前的物理研究中,人們早就發現運動中的光源,其發出的可見光光譜會隨著與觀測者距離的遠近,發生相應的波長增加或者縮短的現象,即光源遠離觀測者,所觀測到的光波長會增加,那麼相對於光源靜止時的同一譜線時,就有向較長波長方向移動的趨勢,也就是向紅端(紅光波長較長)移動,人們將這一現象叫作紅移;反之,當光源逐漸靠近觀測者,那麼所觀測到的光波長會縮短,有向藍端移動的趨勢,這種現象被稱為藍移。
哈勃根據這種光譜現象,推斷出距離地球越遠的星體,其遠離地球的速度就越快,從而為證實宇宙不斷膨脹提供了有力的證據。
宇宙膨脹的速度
1929年,哈勃根據長期的觀測,根據星系退行速度、與地球距離之間的關係,測算出二者存在的正比規律,並給出了測算值H=500,這個值就是哈勃常數。在隨後不斷深入的天文觀測中,眾多科學家和研究機構,一直對哈勃常數進行修正。
1931年,哈勃和哈馬遜通過測定,將H值修正為526。
1958年,桑德奇調整了最亮星標所在的位置,參照星系與地球的距離一下子增大了很多,於是H值降為75。
1976年,桑德奇又採用了另外的方法測量目標星系與地球的距離,修正H值結果為55。
2006年,馬歇爾太空飛行中心應用錢卓X射線天文臺,對距離地球百萬秒差距(Mpc)處的星系遠離地球的速度進行測量,結果為 77(km/s)/Mpc。
之所以H值的變動範圍很大,主要原因在於使用了不同的距離測算指標,而對距離的測算又受到了不同星系在組成結構、年齡、演化過程影響,從而距離與絕對星等之間的關係發生了不同模數的匹配。最近的一次對H值的修正,是2013年時,歐洲航天局利用普朗克衛星,對距離地球百萬秒差距(Mpc,326萬光年)處星系遠離地球的速度重新進行了精密測定,修正後的H值為67.77(km/s)/Mpc,誤差值在正負1.3數值之間,這個數據也就是在326萬光年處宇宙相對於地球的退行速度。
而在可觀測宇宙範圍之內,應用啥勃常數,可以推測出在可觀測宇宙的邊緣,其退行速度達到了每秒96萬公里,這個數值相當於光速的3倍。
為什麼距離越遠退行速度越快
目標星系距離地球越遠,從計算出的退行速度來看就越快,之所以會發生這樣的現象,主要原因還在於以地球為中心進行觀測的結果。如果我們把可觀測宇宙內的目標星系與地球之間的直線,劃分為以326萬光年為間隔的若干線段,那麼每個線段上的相鄰點之間的退行速度都是每秒67.77公里。那麼,每兩個點之間的退行速度就會是兩個67.77的數值疊加,以此類推,以觀測者為中心,距離越遠的區域,則疊加的退行速度也就越多,觀測起來退行速度也越來越快。
可以做個簡單的吹氣球實驗,我們選擇氣球的一個點為中心,沿著這個中心向四周劃分若干“直線單元”,在每條“直線單元”上再標註若干點,那麼在吹氣球的過程中,與這個中心相鄰的點就越逐漸遠離中心,而且與這個中心相鄰的點,與外圍的點之間也會出現逐漸遠離現象,那麼相對應的,中心的點與外圍的點之間就會出現退行速度的疊加,在相同時間段內,中心點與最外圍點之間的退行速度,就會遠遠超出氣球上任意兩點之間的遠離距離,而且距離越遠的點,其遠離速度就越大。
通過這個類比實驗,我們可以看出,宇宙的膨脹速度雖然在一定的時間尺度內是穩定的常量,但是基於不同的觀測參照系統,與觀測者所在地的遠離速率是不盡相同的。
宇宙是否存在中心
月球圍繞地球運轉,從一定程度上地球是地月系統的中心;地球圍繞太陽公轉,可以說明太陽是太陽系的中心;太陽系圍繞銀河系中心旋轉,也可以說銀河系中心的黑洞是銀河系的中心。那麼是不是可以應用這種類推的方法,找到宇宙的中心呢?我覺得不能,主要原因還是在於我們選擇的觀測角度問題。
一方面,我們找不到所有宇宙物質共同圍繞運轉的核心,在更廣闊的宇宙空間尺度內,除了萬有引力的作用之外,科學家們還提出了暗物質和暗能量的推測,因為從目前宇宙的退行速度來看,奇點大爆炸的能量不足以支撐,而且星系之間的引力作用有時也會出現解釋不通的引力波動問題。暗物質和暗能量的存在,或許能夠解釋推動宇宙膨脹和星體之間引力作用的平衡問題。
另一方面,宇宙的膨脹是不均勻的,雖然最初的奇點大爆炸是各向同性,在宏觀層面、中觀層面和微觀層面,能夠決定物質運動規律的主導作用力是不同的,在各種作用力的影響下,不同區域、不同組成、不同密度的星系,其相互之間的距離變化的規律根本不具備一致性,因此,即使能夠找到當初奇點大爆炸的位置,也不能夠說明這個位置就是宇宙的中心。
總結一下
距離地球越遠的星系,其觀測到的運行速度越快,這主要是由於宇宙膨脹的疊加效應決定的,是以地球為中心進行觀測的結果。而這個中心,是以觀測者所處的位置人為定義的,不同的觀測點,其觀測到的目標星系運行速度是不一樣的。因此,宇宙只有人為設定的觀測中心,沒有物理意義上的實際中心。