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宇宙膨胀发现简史:动力学宇宙

发布时间:2019-12-31 09:35    点击次数:163次   

  -斯里弗尔发现了宇宙中星系普遍存在的退行现象,对此很多人试图加以解释。荷兰天文学家德西特认为,星系并没有在退行,他给出的解释是,距离会导致时间流逝变慢,由此就使得光波变长,也就是说,距离越远,光的振动频率就越低,于是就给我们造成了星系退行的假象。而英国天文学家亚瑟-爱丁顿却认为德西特是一派胡言,他从爱因斯坦广义相对论中的宇宙学常数出发,认为正是这一斥力的存在,导致了星系发生了退行,星系的退行是真正发生的。那么造成遥远星系出现红移现象的真正原因究竟是什么呢?答案自然是宇宙空间本身的膨胀,但在哈勃真正提出这一理论之前,还有很多人曾经十分接近这一答案。

  1922年,苏联气象学家和数学家亚历山大-弗里德曼研究了爱因斯坦的理论,他把宇宙学常数去掉从而得到了一组方程,这组方程可以描述膨胀和收缩,甚至可以用来描述一个以“膨胀-收缩-再膨胀-再收缩...”的方式振荡着的宇宙,后人将此称为“弗里德曼方程”。如果宇宙真的如方程中所描述的那样存在膨胀的话,那么其中的星系自然会彼此远离。可见,弗里德曼已经十分接近正确答案了,只可惜他并非天文学家,对斯里弗尔的理论更是一概不知,他并没有将他的结论与斯里弗尔的观测结合起来,或许他只是想对爱因斯坦的理论玩儿一点数学游戏罢了。

  很快,弗里德曼的结论传到了爱因斯坦的耳中,一开始,爱因斯坦也认为弗里德曼搞错了,这完全是瞎胡闹,不过他马上意识到弗里德曼并没有错,看来俄国小子有两下,还能给我的方程玩儿出花样来。不过即便如此,爱因斯坦还是认为这个方程虽然在数学上很有意思也没有错,但是在物理上并没有什么实际意义。就在同一年,匈牙利数学家和物理学家科内留斯-兰佐斯,也提出了和弗里德曼类似的模型,不过这同样没有引起科学界的注意。1924年,弗里德曼发表了一篇讨论动力学宇宙的论文,但依旧无人附议。

  接下来登场的是比利时天文学家乔治-勒梅特。勒梅特这哥们本来是个神父,但是到27岁的时候估计觉得体制内太没意思了,于是他便来到剑桥大学学习天文,而他的导师正是我们昨天提到的亚瑟-爱丁顿。1924年,勒梅特来到哈佛天文台学习,在这期间,他还访问了斯里弗尔和哈勃。1925年,勒梅特在《数学与物理杂志》上发表了一片论文,指出了德西特模型的几个缺点,并提出德西特的宇宙并不是静止的这一观点。

  1927年,33岁的勒梅特拿到了麻省理工的博士学位,并成为了卢万天主大学的教授。就在同一年,在不知道弗里德曼工作的前提下,勒梅特重新推导出了弗里德曼方程。在论文中:勒梅特从理论上推导出:星系退行是宇宙膨胀导致的宇宙学效应,而且退行速度与距离成正比。可见,这正是2年后被哈勃所发现的“哈勃定律”。而为了与观测相结合,勒梅特间接引用了斯里弗尔的星系速度,以及哈勃1926年一篇论文中提供的星系的视星等,并将视星等转换为距离。根据这两组数据,勒梅特计算出,速度与距离的比例常数大约是575或625。而哈勃两年后得到的比例是500,二者惊人地相近,以至于有宇宙学家对此惊叹不已。不过事实上,人们根本不需要惊讶,因为他们的数据来源本就几乎完全一样,那就是速度数据几乎都由斯里弗尔测出,而距离数据本质上都是哈勃先后给出的。

  在完成这篇论文后,勒梅特将其寄给了爱丁顿,不过爱丁顿没有在意,爱因斯坦的评价还是一如既往:数学很nice,但物理上很糟糕。就这样,爱丁顿的冷漠与爱因斯坦的差评,让勒梅特深受打击。

  1928年,美国数学家和物理学家霍华德-罗伯逊发表了一篇论文,他也研究了德西特的宇宙,并同样推导出了“速度与距离成正比”的公式,然后他比较斯里弗尔的红移数据与哈勃1926年的观测数据,得到了空间曲率,将光速除以这个曲率的半径值,可以算出速度与距离的比例常数为463。

  现在我们总结一下到1928年时,观测家与理论家对星系光谱红移的看法:斯里弗尔认为,光谱红移表示星系在远离我们而去,但他只给出了现象,却并未做进一步的深究;德西特认为,光谱红移并非是由于星系远离我们,而是因为距离越远,时间越慢;弗里德曼从理论上得出了宇宙膨胀,但他不了解星系红移的观测结果,所以并没有给出评论;勒梅特最为激进,他认为光谱红移是因为空间自身在膨胀,导致星云远离,且速度与距离成正比,他还算出了比例常数。罗伯逊在后来也得到了速度与距离的比值的表达式。

  所以到1928年时,宇宙膨胀及其规律,事实上已经被预言了,不过此时,还没有被精确的验证,更不为绝大多数人所知。那么谁来验证勒梅特的理论呢?历史选择了哈勃和他的助手米尔顿-赫马森。请看下集《宇宙膨胀发现简史:哈勃的罪与罚》。返回搜狐,查看更多


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