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为什么说宇宙在不断膨胀

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发表于 5 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
人类从来没有停止过关于宇宙的思考。我国古代人民相信“天圆地方”,即大地像一个巨大的四方形的棋盘一样,天像一个大大的半球形的盖子,改在大地上方;亚里士多德从月食等现象推断地球是一个球体,并且根据从埃及和希腊观察的北极星的不同位置,计算出了地球的直径,虽然跟今天的结果相比并不准确;托勒密继承亚里士多德的地心说,制作了一个精致完整的宇宙学模型;哥白尼首次提出日心说,即地球和其他行星是围绕太阳转动的,随后开普勒和伽利略根据观测公开支持日心说;牛顿利用自己发现的万有引力定律和物体的运动定律,计算出行星的轨道其实是椭圆。

现如今最流行的宇宙观点认为,宇宙诞生于大爆炸。这一观点的起因于天文学家哈勃在1929年的一个里程碑式的观测:不管你往哪个方向观测,远处的星系都正在急速地飞离我们而去。那么科学家是如何通过观测得出这一结论的呢?

为什么说宇宙在不断膨胀55 / 作者:buffona / 帖子ID:41923,158458



多普勒效应

在中学物理中,我们学习过多普勒效应。举例子来说,如果你站在铁路旁边,一辆鸣笛的火车向你驶来的时候,你听到的火车鸣笛声的频率比真正的火车鸣笛声的频率要高一些,听起来更加地尖锐;而当这列火车从你身边驶过,背向你行驶的时候,你听到的火车鸣笛声的频率就要比真正的火车鸣笛声的频率要低一些,听起来更加低沉。注意,这里说的鸣笛声的频率不是说的声音的大小,说的是声音的“音调”。有不少人容易把火车鸣笛声渐渐变大之后变小的过程跟多普勒效应相混淆。多普勒效应说的就是当波源与观察者发生相对运动的时候,观察者观察到的波的频率会跟实际的波的频率发生偏差。

红移-光的多普勒效应

光的传递也具有波动性。所以当光源与观察者发生相对运动的时候,也会发生光的多普勒效应。如果光源远离观察者而去,传递过来的光的频率就会降低,也就是光的波长会变长(速度一定,频率与波长成反比)。而可见光的波长从低到高排列起来的话,波长长的一端是红光,波长短的一端是紫光。

所以波长变长的话,观察者观察到的光源的光就会向红光的一段靠拢,更“发红”一些,所以叫做红移。反过来,如果光源跟观察者相向运动的话,光看起来会更“发紫”一些,叫做蓝移。

那问题又来了,我们如何能够确定所观察到的光发生了红移呢?毕竟我们也不知道传递过来的光原本的波长应该是多少。这就涉及到了原子的光谱。特定元素的原子的电子,在发生能量跃迁的时候,会吸收或者释放特定频率的光的能量,这样在光谱上的特定位置,就形成了暗纹或者亮纹。比如氢原子的光谱如下:

为什么说宇宙在不断膨胀98 / 作者:buffona / 帖子ID:41923,158458



注意图中特定位置的几条亮线或者暗线,他们的相对位置就对应了氢元素。所以我们可以通过观察恒星的光的光谱,从中找出特定元素特征的光谱线组合,来推测该恒星上有哪些元素。利用这一现象,我们就可以确定光的红移量了。如果我们发现特定元素的谱线出现在了光谱上面,但是每条线所在的波长位置发生了偏移,我们就可以测量光波长的偏移量了。如图所示:

为什么说宇宙在不断膨胀51 / 作者:buffona / 帖子ID:41923,158458



由此引发的结论

根据哈勃的观测,所有方向上的星球,都有红移现象发生,都在离我们远去。并且,远离我们的速度跟相距我们地球的距离成正比,也就是说距离越远的星球,远离我们的速度越快,也就是说宇宙是在膨胀的过程中的,并且距离和速度的比值是一个常数。这个常数叫做哈勃常数,很不得了,为什么呢?因为既然不同星球跟地球的距离和远离地球的速度的比值是一个常数,那么如果我们按下倒放按钮,让时间倒着走,所有的星球都将几种在一点,这就直接引出了宇宙大爆炸理论。

本文选自:今日头条
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