你知道嗎,在廣袤的宇宙中,幾乎每個(gè)星系都在離我們遠(yuǎn)去,他們像被一股無形力量推開般相互遠(yuǎn)離,這就是宇宙膨脹。那么天文學(xué)家們是如何知道宇宙在膨脹的?其背后的原因又是什么?未來地球會(huì)不會(huì)因星系的遠(yuǎn)離而孤立。
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在1929年,美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃通過分析遙遠(yuǎn)星系的光譜,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)革命性的規(guī)律,他觀測(cè)發(fā)現(xiàn)幾乎所有星系都顯示出紅移,也就是星系的光譜線向紅端偏移,那么這代表著什么呢?
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我們知道光和聲音一樣其實(shí)也具有多普勒效應(yīng),但光的多普勒效應(yīng)是通過顏色來表現(xiàn)的,比如當(dāng)一個(gè)天體遠(yuǎn)離我們時(shí),光的波長(zhǎng)被拉長(zhǎng),光譜的顏色就會(huì)向紅色段移動(dòng),如果靠近我們波長(zhǎng)縮短,顏色則會(huì)向藍(lán)色端移動(dòng),這就是紅移現(xiàn)象。
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而哈勃正是發(fā)現(xiàn)了大部分星系都有這一規(guī)律,表明他們?cè)谶h(yuǎn)離我們,除了少數(shù)近鄰星系外,大多數(shù)星系都在后退。更令人震驚的是,哈勃還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)精確的線性關(guān)系,即星系的退行速度與距離成正比關(guān)系,簡(jiǎn)單來說就是離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系,退行的速度越快,這就是著名的哈勃定律。
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其中V代表星系退行速度,D為星系到地球的距離,H為哈勃常數(shù),因此只要我們測(cè)出哈勃常數(shù)就能知道星系遠(yuǎn)離我們的速度,在2013年,普朗克衛(wèi)星測(cè)出哈勃常數(shù)為67千米每秒每百萬(wàn)秒差距。
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所謂秒差距就是視差角秒,他是以地球公轉(zhuǎn)軌道為基線,一秒差距大約是3.26光年,而百萬(wàn)秒差距就是326萬(wàn)光年,因此哈勃常數(shù)就是每326萬(wàn)光年的距離上,星系的退行速度就會(huì)增加67千米。
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比如一個(gè)星系距我們約100個(gè)百萬(wàn)秒差距,即3.26億光年,那么通過哈勃定律即可計(jì)算出,該星系遠(yuǎn)離我們的速度大約為7300千米每秒。如果是140億光年,那么星系遠(yuǎn)離我們的速度已經(jīng)達(dá)到了光速,由此我們知道了宇宙空間其實(shí)在不斷膨脹中,并且140億光年外的膨脹速度甚至超越了光速。
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然而有些人可能有所疑問,為什么說星系的遠(yuǎn)離就表明空間在膨脹呢?因?yàn)槿绻切窍当旧碓谶\(yùn)動(dòng),那么這是違反相對(duì)論的,相對(duì)論告訴我們,任何有靜止質(zhì)量的物體是無法達(dá)到光速的,由于一旦物體達(dá)到光速,那么在質(zhì)增效益影響下,質(zhì)量會(huì)增加到無限大,同時(shí)還需要無限的能量去推動(dòng)它,但我們知道無限的是不存在的,所有有靜止質(zhì)量物體不可能超越光速。
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這也意味著星系的遠(yuǎn)離不是星系在空間中移動(dòng),而是空間本身在擴(kuò)張。如果我們形象化宇宙膨脹概念,可以想象一個(gè)被吹大的氣球,表面畫滿小點(diǎn)他們代表星系。當(dāng)你吹氣時(shí)每個(gè)點(diǎn)都遠(yuǎn)離其他點(diǎn)。從任何點(diǎn)看,其他點(diǎn)都在后退,且遠(yuǎn)的點(diǎn)速度更快。但點(diǎn)其實(shí)本身沒有移動(dòng),而是氣球表面空間在伸展。
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在真實(shí)宇宙中,空間像氣球表面般擴(kuò)張,星系被固定在上面。這一發(fā)現(xiàn)推翻了靜態(tài)宇宙觀,還推動(dòng)了大爆炸理論,因?yàn)槿绻覀儗⑿窍颠h(yuǎn)離速度進(jìn)行反向推導(dǎo),宇宙將是從一個(gè)炙熱、致密的奇點(diǎn)開始膨脹,這也使我們估算出宇宙的年齡大約為138億年。
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當(dāng)宇宙膨脹被發(fā)現(xiàn)之后,又一個(gè)問題又困擾著科學(xué)家,那就是其背后的原因是什么?在20世紀(jì),科學(xué)家們認(rèn)為宇宙并不會(huì)一直膨脹下去,因?yàn)樵谝Φ挠绊憰?huì)逐漸減緩,最終停止膨脹。
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不過在220世紀(jì)末期,天文學(xué)家通過觀測(cè)遙遠(yuǎn)的Ia型超新星發(fā)現(xiàn),他們爆發(fā)的亮度比預(yù)期要暗淡,也就是說他們的距離比我們想象的更遙遠(yuǎn),由此發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹不僅沒有逐漸減慢,反而在加速中。
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這也讓科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到,宇宙中可能存在一種神秘未知能量與引力抗衡,因?yàn)榧铀倥蛎浶枰环N反引力,而這種神秘的能量被科學(xué)家們稱為暗能量。暗能量被認(rèn)為具有負(fù)壓強(qiáng),它會(huì)產(chǎn)生排斥力,并推動(dòng)空間進(jìn)一步擴(kuò)展。根據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)模型認(rèn)為,在我們所能觀測(cè)的宇宙中,普通物質(zhì)其實(shí)僅占總物質(zhì)的一小部分,其余的都是暗能量和暗物質(zhì)。
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雖然如今我們還沒有發(fā)現(xiàn)暗能量的存在。但如果說暗能量不存在,那么我們的宇宙就不會(huì)演化成如今的樣貌,因?yàn)闆]有斥力作用引力將戰(zhàn)勝一切,所有星系都將會(huì)越來越近,最終物質(zhì)聚集到一起,因此宇宙必須暗能量來維持,才能維持演化。
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此外宇宙的加速膨脹還讓我們意識(shí)到了一個(gè)深刻的后果,由于宇宙在持續(xù)膨脹,星系間距離也會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng),那么隨著時(shí)間的推移。當(dāng)所有星系的退行速度超過光速,也就是140億光年外,那么他們發(fā)出的光將永遠(yuǎn)無法抵達(dá)地球,這意味著未來我們將無法看到任何遙遠(yuǎn)星系。
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根據(jù)天文學(xué)家推測(cè),大約在數(shù)千億年后大部分星系將會(huì)從天空中消失。屆時(shí)如果地球沒有被太陽(yáng)的膨脹而吞沒,人類又幸存了下來,那么在可觀測(cè)宇宙中,我們僅能看見本星系群中的星系,其中包含銀河系、仙女座星系等50個(gè)星系。
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而更遠(yuǎn)的未來,這些星系中的恒星也會(huì)隨著燃料的耗盡而逐漸熄滅。然后只留下白矮星、中子星和黑洞。接下來白矮星和中子星會(huì)在時(shí)間長(zhǎng)河中冷卻成黑矮星,黑洞會(huì)因霍金輻射蒸發(fā)消失,最終能量均勻分布,所有物質(zhì)溫度達(dá)到熱平衡。
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屆時(shí)宇宙也將以一種平靜的熱寂結(jié)束,不過這也是后話,因?yàn)槿绱诉b遠(yuǎn)的時(shí)間,對(duì)于我們而言已經(jīng)沒有了任何意義。
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