在相对论中,爱因斯坦引入了一个新的常数以使相对论方程能够符合他的宇宙理论。那么,这真是他最大的失误吗?
当爱因斯坦发表广义相对论时,我们需要明确地知道,自己身处的宇宙究竟有多么大。当时,大多数人认为,银河系即是整个宇宙,除此之外,宇宙里别无他物。当时,用以证明宇宙规模比人类想象大得多的证据还处于积累阶段,人类的辩论也才刚刚展开,讨论的焦点就是银河系外是否还有其他物质存在。
1923年,埃德温·哈勃使用当时世界上最大的望远镜为人们的辩论画下了句号。位于加州威尔逊山天文台的胡克望远镜辨认出了仙女座星云中的星体。哈勃估计,仙女座大星云中的星体距离地球80万光年(最终证明该数值低估了,实际为120万光年)。仙女座是独立的星系,与银河系存在着显著的差异。之后,哈勃陆续观测到其他一些更加遥远的星系。从此,一幅横跨数十亿光年、超越人类想象的宇宙长卷铺展开来,在每一千亿星系中,都包含着约一千亿颗恒星。的确,我们远非处于宇宙起源的中心位置。
无论宇宙最终能够被证实有多大,人们依旧抱持着另一种宇宙学说,即宇宙是静止的,没有人认为它会膨胀或收缩。1929年,哈勃的又一惊人发现使他一夜成名:来自遥远星系光线的红移与它们的距离成正比。这一发现表明,这些星系正在远离我们的太阳系。它们离我们越远,远离的速度就越快。以2倍速度彼此远离的星系,远离速度也约为2倍。对此最好的解释就是:宇宙正在膨胀。
根据哈勃望远镜的观测结果,遥远星系的红移现象并非是由重力引起的,而是由多普勒效应引发的。你或许听说过声波的多普勒效应:当警车从你身边呼啸而过,警笛鸣叫时,警笛离你越远,音调就会越低,听起来就像警笛刻意放慢了音调。当警车向你驶来时,情况则截然相反,警笛的音调会越来越高。类似的效应同样适用于移动物体发射出的光,与光线远离我们、靠近频谱红端并且逐渐提高声调不同,如果物体逐渐接近观测者,光线则向频谱的蓝端移动(蓝移)。(www.xing528.com)
宇宙学红移
多普勒频移取决于物体相对运动,物体在运动时发出辐射。宇宙学红移略有不同。光在穿过不断膨胀的空间时不断被拉伸。宇宙学红移之所以产生,原因在于空间的膨胀,而不是发出光的物体。在不断膨胀的宇宙中,光的传播过程越长,光被拉伸的程度也越大,红移现象也就越显著。
多普勒红移
哈勃观测到,遥远银河系的红移并非引力红移。这是由多普勒效应导致的另一种红移。你或许听说过光波。如果一辆警车从你身旁呼啸而过,警笛长鸣,当车离你越来越远的时候,警笛声越来越浑厚。原因是光波需要更长的时间才能抵达你的位置,从而使声调变得低沉。当警车朝你驶来时,情况则相反,光波需要的时间短了,声调听起来就高了。移动的物体发出的光也是同样的道理,只是最终改变的不是声调,而是光波频率向朝着频谱的红端移动(红移),如果物体离你越来越近,那么光波频率则向频谱的蓝端移动(蓝移)。
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