温伯格

　　编者按

　　《最初三分钟：关于宇宙起源的观点》是科普读物的里程碑之作，由1979年诺贝尔物理奖得主、美国物理学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）在1977创作，是最早关于探讨宇宙起源的代表作品，与《时间简史》、《物种起源》等著作共同被评为“改变世界的25本科普书”。该书讲述了宇宙形成初期的一些基本理论，至今仍影响着人类对宇宙世界的探索发现。

　　作为物理学和宇宙学领域的权威，温伯格向世人描绘了一幅令人震撼的宇宙起源图，宇宙在最初0.01秒、1秒、1分钟或最初一年，是什么样子？早期宇宙在某时刻的温度、密度和化学成分如何？在书中，温伯格对宇宙学进行了总结和展望，同时以他深邃的洞见和卓越的学识，激发着越来越多的人探索宇宙的热情。

　　本文节选自史蒂文·温伯格著《最初三分钟：关于宇宙起源的观点》第二章，该书已在赛先生书店上架，点击文章底部“阅读原文”购买此书。

　　撰文

　　史蒂文·温伯格

　　根据这半个世纪的观测结果通常得出这样的结论，即星系正在退行，离我们而去，速度与距离成正比（至少当速度不太接近光速时）。当然，正如我们在探讨宇宙学原理时已经强调的那样，这并不意味着我们在宇宙中处于任何特殊的受宠或遭冷落的位置；任意一对星系正以与其间隔成正比的相对速度分离开来。对哈勃原始结论所作出的最重要的修改是对银河外距离尺度的修订：部分原因是由于沃尔特·巴德和其他人重新验证莱维特·沙普利造父变星的周期-光度关系，现在人们预估的遥远星系的距离比哈勃时代所认为的距离要大10倍左右。因此，现在人们认为，哈勃常数仅为15千米/ 秒/ 百万光年。

　　这些对宇宙的起源意味着什么？如果星系正迅速分离，atv，那它们一定曾经距离非常近。具体地讲，如果它们的速度保持不变，那么，任意一对星系到达它们现在间隔所需的时间，恰好是它们之间的当前距离除以相对速度所得出的数值。但对于与当前间隔成正比的速度来说，这个时间对任意一对星系都是一样的——它们在过去的同一时刻一定也曾密不可分！假设哈勃常数为15千米/秒/百万光年，那么, 星系开始分离以来的时间就是100万光年除以15km/s，或200亿年得出的数值。我们应把通过这种方式计算得出的“年龄”称为“特征膨胀时间”；它仅仅是哈勃常数的倒数。宇宙的实际年龄其实小于特征膨胀时间，因为正如我们所看到的一样，星系并不是以不变速度运行的，相反，由于受到相互引力的影响，速度会逐渐减慢。因此，如果哈勃常数为15千米/秒/百万光年，那宇宙年龄一定小于200亿光年。

　　有时，我们只是简要进行总结，宇宙规模在不断扩大。这并不意味着宇宙的规模一定有穷，尽管这很有可能。之所以这样说，是因为在任何一个特定时刻，任意一对典型星系之间的间隔都按照相同的分数增加。在任何一个间隔非常短，星系速度几乎保持不变的间隔时间范围内，如果用一对典型星系的相对速度乘以实耗时间，或者根据哈勃定律，用哈勃常数乘以间隔再乘以时间，即可得出一对典型星系之间的间隔增加值。但这样的话，间隔的增加值与间隔本身之间的比率就是哈勃常数乘以实耗时间最终得出的乘积，这对任意一对星系来说都是一样的。例如，在1%特征膨胀时间间隔期间（哈勃常数的对等物），每对典型星系的间隔都会增加1%；也就是说，宇宙的规模是按照1%增加的。

　　我不想给人留下这样一种印象，好像所有人都同意红移这种解释方式。实际上，我们并没有观测到正迅速远离我们而去的星系；能够确定的是，它们光谱中的线向红端偏移，即向较长的波长偏移。有些著名天文学家怀疑红移是否与多普勒偏移或宇宙膨胀有关。海耳天文台的霍尔顿·阿普就曾强调指出，天空中存在这样一些星系群，它们的红移与其他星系群不同；如果这些星系群代表邻近星系真实的物理关系，那么，它们几乎不可能拥有总体不同的速度。另外，1963年，马顿·施密特还发现，某些貌似恒星的物体却有着巨大的红移，有时竟超过了300% ！如果这些“类星体”如它们的红移所显示的那样遥远，那它们所发出的能量必定是异常巨大，所以才会如此明亮。最后想说的是，在这样遥远的距离确定速度和距离之间的关系实非易事。