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[自然科学] 你也误会了大霹雳(3)
住在仙女座星系或更远处的观测者,也有他们各自的可见宇宙,和我们的有所重叠,却不太一样。仙女座星系的居民可以看得到我们看不见的星系,不过这只是因为他们离那些星系比我们稍微近一点所占的便宜,反之亦然。而他们的可见宇宙也曾经只有葡萄柚般的大小。因此,我们可以把早期宇宙想成是水果摊上一堆往各个方向无穷延伸的葡萄柚。而大霹雳很「小」这个观念也是会引起误会的。整个空间其实可以是无限大的。把一个无限大的空间缩小任意倍,它还是无限大的。

后退得比光速还快
另一类误解牵涉到对于膨胀的定量叙述。1929年,美国天文学家哈伯(Edwin Hubble)发现,星系间距离的增加率,遵守一个特殊的形式:星系远离我们的速度(v),和它与我们的距离(d)成正比,即v=Hd。其中的比例常数H,就是所谓的哈伯常数,它可以把空间向外延伸的快慢予以量化,不只针对我们周遭,也适用于宇宙中所有观测者的周围。

有的人对于某些星系不遵守哈伯定律这件事感到困惑。事实上,最邻近我们的大型星系──仙女座星系,就是朝着我们移动,而非远离。会有这样的例外,乃是因为哈伯定律所描述的只是星系的平均行为。星系在成群的整体运动外,也可以有适度的局部运动,并受彼此间的重力牵引──银河系和仙女座星系之间就是如此。遥远的星系也会有微小的局部运动,不过从我们的观点来看(距离很远,d的值很大),这些散乱的 局部速度在与极大的远离速度(v)相较之下,显得极不明显。因此对于那些星系来说,哈伯定律是相当准确的。

在光子行进的同时,它所行经的空间也在膨胀。在它到达我们之前,与其来源星系的 距离,会比根据其旅行时间所做的简单计算结果还要来得大——大了约三倍。

<请注意,根据哈伯定律,宇宙并不是以单一的速度膨胀。有的星系以每秒1000公里的速度远离我们,有些(距离两倍远的那些)则是每秒2000 公里,以此类推。事实上哈伯定律预测,在某个距离以外的星系,后退的速度会比光速快,这个距离叫做哈伯距离。由量测到的哈伯常数值来 推断,这个距离大约是140亿光年远。

这个「星系比光速快」的预言,不就表示哈伯定律是错的吗?爱因斯坦的狭义相对论不是说没有任何物体的速度可以超过光速吗?这个问题困 惑了一代代的莘莘学子。正确的解答是,狭义相对论只适用于「正常」定义下的速度──也就是在空间中穿梭的运动。而哈伯定律中所谓的速 度,是由空间膨胀所导致的远离速度,并不是在空间中的运动。那是一种广义相对论效应,并不受狭义相对论的极限所限制。具有比光速快的 远离速度,并没有违反狭义相对论。没有任何东西能跑得比光速快这件事,还是对的。

拉长与冷却
对于宇宙膨胀的首次观测,是在1910~30年间。就如同在实验室中所测量到的,原子会放出或吸收特定波长的光。从遥远星系传来的光,其光 谱也会呈现出相同的图样,只不过这些图样会往较长的波长偏移。于是天文学家就说星系的光「红移」了。对此的解释很简单:当空间膨胀时 ,光波随着被拉长了。如果在光波旅行的过程中,宇宙的大小膨胀了两倍,光波的波长就会变成两倍,能量则减为二分之一。

【意犹未尽吗?欲阅读完整全文,请参阅科学人2005年4月号〈你也误会了大霹雳?〉】

来自 http://www.sciam.com.tw/read/reads...653&DocNo=1049



献花 x0 回到顶端 [楼 主] From:台湾中华电信 | Posted:2005-08-17 00:00 |

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