然而,有一种独立的方法可以确认星系是否真的像红移所显示的那样,正在分离开来。我们已经看到,关于红移的这种解释说明宇宙膨胀开始于不到200亿年前。因此,如果我们能够找到任何其他证据证明宇宙的确那么老,那它基本上就得到了证实。实际上,有很多证据可以证明我们的星系为100~150亿岁。我们是根据地球上相对丰富的各种放射性同位素(尤其是铀同位素、U-236 和U-238)以及恒星演化的计算结果进行预估的。当然,我们并没有发现放射率或恒星演化速度与遥远星系的红移之间存在直接关系,因此我们可以假设,根据哈勃常数推断出的宇宙年龄的确代表着一个真正的开始。 在这方面,回顾一下历史是非常有意思的。在20世纪30—40 年代,人们认为哈勃常数要大得多,约为170千米/秒/百万光年。如果是这样的话,那按照我们之前的推理,宇宙的年龄应为100万光年除以170km/s 得出的数值,即约为20 亿岁,如果我们将引力制动考虑在内,那么, 通过这种方式得出的宇宙的年龄还要更小一些。但自从拉瑟福德勋爵研究放射现象以来,众所周知,地球的年龄要比这大得多,目前,人们普遍认为地球的年龄约为46 亿岁!地球的年龄不太可能比宇宙还要大,因此,天文学家不得不怀疑,红移是否真的能够告诉我们宇宙的年龄。在20 世纪30~40年代,一些最有见地的天文学思想即起源于这一明显的悖论,其中或许还包括恒稳态理论。20 世纪50 年代,银河外距离尺度膨胀了10 倍,从而消除了年龄悖论,或许这正是大爆炸宇宙学作为一个标准理论出现的基本前提。 我们在这里一直描述的宇宙画面,是一个不断膨胀的星系群。迄今为止,光仅仅起着“恒星信使”的作用,传递星系距离和速度信息。但是,早期宇宙的情况却大相径庭;正如我们所看到的那样,当时宇宙的主要组成成分是光,而普通物质仅起着点缀作用,其作用甚至可以忽略不计。因此,我们需要重新说明迄今为止所了解的红移在膨胀宇宙中对光波行为的影响,这对以后还是有用的。 假设一个光波在两个典型星系之间传播。两个星系之间的间隔等于光的传播时间与光速的乘积,而两个星系之间的间隔在光传播过程中的增加值等于光的传播时间与星系相对速度的乘积。当我们计算间隔的分数增加值时,用间隔的平均值除以间隔的增加值,结果发现光的传播时间被抵消了;这两个星系(因此也是任何其他典型星系)在光的传播时间内的间隔分数增加值等于星系相对速度与光速之间的比率。但正如我们之前所看到的那样,该比率同样适用于在光的传播过程中光波波长的分数增加值。因此,当宇宙发生膨胀时,任何一条光线的波长增加值均与两个典型星系之间的间隔成正比。我们可以认为,波峰是被宇宙的膨胀“拉”得间隔越来越远。尽管我们的论点应用得非常严格,它仅适用于短的传播时间,但如果我们将一系列传播过程汇总在一起,即可得出结论,即情况大致都是相同的。例如,当我们观测星系3C295,发现其光谱中的波长比光谱波长标准表中的波长大46%时,可以认为宇宙现在比光离开3C295 时大了46%。 至此,我们已论述了被物理学家称为“运动”的物质,对运动作了描述,而没有考虑支配运动的那些力量。但是,若干世纪以来,atv,物理学家和天文学家也曾试图理解宇宙的动力学。这样就不可避免地需要研究两个天体间的唯一一种作用力,即引力的宇宙作用。 或许正如人们所认为的那样,第一个解决了这个问题的人是伊萨克·牛顿。在与剑桥古典主义者理查德·本特利的一封著名的通信中,牛顿承认,如果宇宙物质平均分布在有穷的区域中,那它们都会向中心坠落,“并在那里形成一个巨大的球形质量。”另一方面,如果物质平均分散在无穷的空间中,那它们就没有中心可以坠落。或许在这样的情况下,它们能够收缩成无数的团,分散在宇宙中;牛顿指出,这有可能就是太阳和恒星的起源。 在广义相对论提出之前,人们在研究无穷介质的动力学时,遇到了极大的困难,这严重地阻碍了进一步的进展。这里不适合解释广义相对论,无论如何,事实证明,它对宇宙学的重要性比人们最初认为的要小。阿尔伯特·爱因斯坦曾使用非欧几里德几何理论来解释引力作为时空曲率效应的原因,仅此一点就足以证明上述内容了。1917年,在爱因斯坦提出广义相对论一年后,他又试图为他的方程寻找解法,说明整个宇宙的时空几何。根据当时流行的宇宙学思想,爱因斯坦非常明确地寻找一种均匀的、各向同性的解法,但很不幸又是静态的解法。他并没有成功。为了获得一个适合这些宇宙假设的模型,爱因斯坦不得不肢解他的方程,引入了一个项,即所谓的宇宙常数,这极大地损害了原始理论的精确性,但却有助于平衡大距离内的引力。 (责任编辑:本港台直播) |