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測(cè)量 天文學(xué)家如今看到的宇宙膨脹，是否有可能只是很久以前的星系運(yùn)動(dòng)

網(wǎng)友問(wèn)：“當(dāng)測(cè)量遙遠(yuǎn)星系的移動(dòng)速度時(shí)，科學(xué)家是否會(huì)考慮到他們所看到的星系運(yùn)動(dòng)是過(guò)去的而不是現(xiàn)在的，這是否會(huì)與哈勃定律沖突？”
答：讓我們從基礎(chǔ)講起：我們的宇宙正在膨脹中，而我們是如何知道的呢？數(shù)十年來(lái)，天文學(xué)家積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明，其他星系仿佛以一個(gè)驚人的速度在遠(yuǎn)離我們所在的銀河系（以及彼此）。這個(gè)模式中有一定的偏差，但是如果你想象“把相機(jī)向后平移”的畫(huà)面，并以整個(gè)宇宙為整體，整個(gè)感覺(jué)，就是星系急速在遠(yuǎn)離彼此，其中，距離更遠(yuǎn)的星系將成比例地更快原理——這是哈勃定律的著名例子。
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在以上的觀點(diǎn)里，宇宙是什么樣的呢？馬丁加德納Martin Gardner，通俗科學(xué)作家、《科學(xué)美國(guó)人》長(zhǎng)期專(zhuān)欄作家，對(duì)宇宙膨脹有一個(gè)很好的類(lèi)比：想象一團(tuán)嵌有葡萄干巨大的面團(tuán)，面團(tuán)代表著太空，葡萄干則代表星系。現(xiàn)在如果把這塊面團(tuán)放進(jìn)爐子里，它會(huì)膨脹，或者更準(zhǔn)確點(diǎn)來(lái)說(shuō)，它會(huì)保持原有的比例進(jìn)行拉伸，但是隨著時(shí)間推移，葡萄干之間的距離會(huì)變得越來(lái)越遠(yuǎn)。
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天文學(xué)家用“哈勃常數(shù)”來(lái)表示膨脹有多快。哈勃常數(shù)的值可以很多方式來(lái)表示，我比較喜歡用0.007%每百萬(wàn)年來(lái)表示——這意味著每百萬(wàn)年，星系間的距離被拉伸0.007%左右。
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那么這個(gè)“哈勃常數(shù)”能告訴我們什么呢？首先，它能告訴我們的是，宇宙非常古老。如果一個(gè)人回到百萬(wàn)年前，宇宙將會(huì)和現(xiàn)在看起來(lái)特別的像。比如說(shuō)，只要你在測(cè)量的星系內(nèi)部，你可以確信，光是從距我們一億光年以?xún)?nèi)的星系傳播到我們這的，而在這段時(shí)間里，宇宙將不會(huì)有太多的變化。
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但是，假如你正在測(cè)量的是一個(gè)數(shù)十億光年之外的星系，那將會(huì)怎樣？在這種情況下，隨著光的傳播，宇宙將會(huì)發(fā)生顯著的變化。由于涉及到許多的問(wèn)題，天文學(xué)家不再測(cè)量關(guān)于星系的哈勃定律。如果你想嘗試測(cè)量你和其中一個(gè)星系間的距離，能得到什么的距離？是光線(xiàn)發(fā)射時(shí)的距離？還是光線(xiàn)到達(dá)我們的距離（其中包括一些其他的距離，因?yàn)楫?dāng)光線(xiàn)通過(guò)時(shí)宇宙膨脹了，就像一個(gè)跑步的人在一個(gè)永遠(yuǎn)拉伸的賽馬場(chǎng)上）？或者你能準(zhǔn)確測(cè)量星系離我們多遠(yuǎn)？以及其中距離最遠(yuǎn)的是哪個(gè)？同時(shí)，在速度方面，也存在相似的問(wèn)題——哈勃常數(shù)會(huì)隨時(shí)間變化，根據(jù)它的改變，個(gè)別星系可能會(huì)加速或者減慢變化的速度。因此當(dāng)你談到速度時(shí)，是當(dāng)光發(fā)射出時(shí)的速度？還是現(xiàn)在的速度？或者介于兩者之間的速度？簡(jiǎn)而言之，這一切都是一團(tuán)糟。
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解決這個(gè)問(wèn)題的方法是：停止思考距離和速度，而是關(guān)注天文學(xué)家能夠直接測(cè)量的性質(zhì)。天文學(xué)家能夠?qū)嶋H測(cè)量的是紅移——當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)膨脹中的宇宙時(shí)被拉伸，其原因和宇宙相同，由此導(dǎo)致了光線(xiàn)的波長(zhǎng)變長(zhǎng)。因?yàn)榧t光比藍(lán)光波長(zhǎng)更長(zhǎng)，這意味著光的顏色會(huì)向光譜的紅端移動(dòng)。天文學(xué)家觀察星系內(nèi)部已知能量的物體（通常是1a型超新星），并測(cè)量它們的亮度，而不是距離。這有點(diǎn)像拿著一個(gè)60瓦的燈泡移動(dòng)到越來(lái)越遠(yuǎn)的距離。而紅移增加的比例與距離成正比。這種關(guān)系為宇宙在膨脹的觀點(diǎn)提供了有力的支持。只要我們能確定燈泡一直是60瓦，我們就能知道，如果它越昏暗，就距離越遠(yuǎn)。
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紅移和光度可能不如速度和距離直觀，但是至少紅移和速度是準(zhǔn)確定義的。并且它們都非常有用。就像業(yè)余廚師一遍又一遍的品嘗自己的烘焙面包后，就可以制作出餐廳葡萄干面包的食譜。天文學(xué)家也可以通過(guò)建立不同情境下的紅移與光速之間的理論模型（特別是-通過(guò)哈勃常數(shù)以不同的方式隨時(shí)間演變），計(jì)算出宇宙這個(gè)“葡萄干面包”的膨脹，并且通過(guò)這個(gè)模型來(lái)丟棄一些不符合觀測(cè)數(shù)據(jù)的模型。在過(guò)去幾十年的研究結(jié)果中非常清晰地證實(shí)了個(gè)別星系是加速的——換句話(huà)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)加速宇宙。
1.WJ百科全書(shū)
2.天文學(xué)名詞
3. curious-Dave Rothstein
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