心平气和说宇宙（2）_风闻

原创：牧夫天文

膨胀的宇宙

The Expanding Universe

Seal your way with the crystal of skies

Child of the winter, child of the night

Away from the world so barren and spite

Cry with the gale on the side of the Northern star

——Eternal Tears of Sorrow《Sound of Silence》

在讨论宇宙之前，有几点需要和大家说明：本文接下来如果没有特殊提及，我们所讨论的都是标准宇宙学模型，即LCDM宇宙。

宇宙学是一门古老的学科，但是现代宇宙学却依然很年轻。在现代宇宙学之前，尽管牛顿、哈雷等人的研究也非常有代表性，但是毕竟与现代宇宙学相去甚远，因此我们不再详细讨论。

那么现代宇宙学的开端是什么呢？可以认为，它的开端就是这样一个图表：

我们先不说这个表是什么，大家不妨把那两条线挡上，只看一下这些散乱分布的点。如果要你找一找这些点的规律，你能否找到呢？

恐怕很难，毕竟这些点分布得似乎没那么规律。因此，能够做出这条线的人，是需要多么强大的洞察力啊！

做出这张图的，正是伟大的天文学家爱德文·鲍威尔·哈勃。而这张图描述的，正是遥远的天体（这里是星系团）的退行速度与距离的关系。

我们再看一下另外张图，这张图的年代就离我们近多了。尽管观测的对象不一样，但是随着观测的进步，这种规律越来越明显，更多的点落在了直线上面。

显然，在这种横纵坐标图里，直线代表着横轴和纵轴的两个物理量彼此之间的关系是线性的。因此，不妨认为，退行速度和天体到我们的距离是正比例关系，如下公式：

其中H0是一个常数。这就是哈勃定律。

哈勃定律起初并非由哈勃提出，而是由乔治·勒梅特在1927年提出，而哈勃在1929年为这个猜想给出了观测证据。近年，物理学界认为，勒梅特的研究同样是功不可没的，因此这一规律目前还被称作哈勃-勒梅特定律。

所谓的退行速度，也就是天体离开我们的速度，那么这个速度代表着什么呢？

莫非所有的天体都在背向我们运动？这个想法在物理上倒也可以实现，但是这就意味着，我们的地球处于宇宙中一个非常特殊的地位——宇宙的中心。这岂不是地心说的复辟？

因此，在这里，我们需要将其解释为，宇宙在膨胀。如果是这样的话，那么无论在哪里观测，我们得到的规律都是一样的。

不过，这里的退行速度是怎样测量出来的呢？天体到我们的距离又是如何测量的呢？显然，我们不可能通过测量天体在两个时刻的距离，之后作差，再求出其速度，因为这些天体都太过遥远，这种做法实在是难以执行。

这时候，我们需要用到宇宙学里一个很重要的物理量——宇宙学红移。下图想必是最好的解释了。

换句话说，这样我们就可以推算遥远的天体的退行速度了。

那么天体到我们的距离该如何测量呢？这里我们需要引入的概念是标准烛光。

标准烛光的概念很好理解。同样的一个蜡烛，我们在不同的距离上观测这个蜡烛，其亮度显然是不同的。那么，如果有某个特殊的天体的足够亮，可以在宇宙学尺度上观测到，并且其绝对亮度一样的话，就可以当做标准烛光，我们就可以通过观测它来推断该星体所在的星系到我们的距离。

哈勃在估算天体的距离的时候，所使用的是勒梅特给出的估算方法，误差较大。而更好的标准烛光，当属多年之后科学家们给出的Ia 型超新星（以后会详细讲到）。

那么，我们回过头来再看哈勃定律。我们知道，光速是有限的，越远的星系发出的光芒，到达地球所需的时间也就越长，也就是说，我们观测遥远的天体的时候，实际上是在看它的过去。而由哈勃定律，我们又知道，距离和退行速度是直接相关的，退行速度又可以由宇宙学红移求出。因此，从某种意义上说，红移、距离、时间都可以归结为一个变量。这也是为什么有物理学家认为，宇宙是最简单的研究对象，因为它只有一个变量。

『天文时刻』 牧夫出品

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