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火車的汽笛和宇宙的年齡
（2006年06月02日 10:48:34）
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□作者:
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宇宙的現代概念開始成形于1924年。這一年，美國著名天體物理學家埃德溫•哈勃（Edwin Hubble）根據其所做的測量表示，我們所處的銀河系並非一個孤立的空間分開的眾多星系中的一個（應該說伽利略早就提出過這種說法）。就像我們今天已經知道的那樣，宇宙中有數十億個星系。
哈勃采用的測量方法以星系發出的光的強度為基礎，那些離我們最近的恆星的距離可以通過視差法計算出來，然後，根據這些恆星發出的光的強度和與我們之間距離的比例關系（光的強度越高距離我們越近，強度越弱距離我們就越遠），他當時就能夠測量一定數量的更遠的星系的距離。推而廣之，也就是通過測量可見的最遠星系發出的光，甚至就可以估算宇宙的年齡和大小。
宇宙在膨脹中
然而，哈勃的測量方法無法保證得到較為精確的結果，後來人們發現了氣體吸收譜線的紅移現象，從此，這個被稱為多普勒效應的現象使我們握有了測量星系的理想工具，幫助我們拓寬了認識宇宙的視野。
一個熾熱的天體（比如一顆恆星）發出的光具有典型的光譜分布特征，天體表面溫度從低到高，顏色則從紅色逐漸趨向藍色。例如，太陽表面的溫度大約為 6000℃，發出的光主要分布在我們眼楮可見的區域，合成在一起的顏色被我們定義為“白色”；天狼星表面溫度大約為10000℃，它發出的光則趨向于淡藍色。恆星發出的光要到達地球必須穿過恆星的大氣層，這就導致了發出的光的光譜中某些顏色成分的減弱，光譜的吸收與所遇到的特殊的氣體構成有密切的關系。
人們發現，在那些離地球較近的恆星上和在地球上一樣，每種氣體吸收同樣精確的光譜成分（換言之，在太空中物理和化學定律並未發生變化）。應該說，正是由于這種情況，通過觀察各種氣體特有的吸收譜線，我們就能確定每一顆恆星大氣層氣體的構成。然而，如果研究遙遠的恆星，就會發現一個不尋常的事實︰同一種氣體呈現的吸收譜線位置向紅色方向移動，恆星的距離越遠，紅移就越大。這就是著名的多普勒效應。這種效應表明，宇宙正在膨脹，因為星系正在相互遠離。另外這種效應還可以幫助我們估算這種效應還可以幫助我們估算遠離的速度。
多譜勒效應
在單色光的情況下，我們的眼楮感知的顏色可以解釋為光波振動的頻率，或者解釋為，在1秒鐘內電磁場交替變化的次數。在可見光區域，這種頻率越低，就越趨向于紅色，頻率越高，就趨向于藍色-紫色（圖2）。比如，由氦-氖激光所產生的鮮紅色對應的頻率為4.74×1014赫茲，而汞燈的紫色對應的頻率則在7×1014赫茲以上。這個原則同樣適用于聲波︰聲音高低的感覺對應于聲音對耳朵的鼓膜施加壓力的振動頻率（高頻聲音尖厲，低頻聲音低沉）。
如果波源是固定不動的，不動的接收者所接收的波的振動與波源發射的波的節奏相同︰發射頻率等于接收頻率。如果波源相對于接收者來說是移動的，比如相互遠離，那麼情況就不一樣了。相對于接收者來說，波源產生的兩個波峰之間的距離拉長了，因此兩個波峰到達接收者所用的時間也變長了（圖3）。那麼到達接收者時頻率降低，所感知的顏色向紅色移動（如果波源向接收者靠近，情況則相反）。為了讓讀者對這個效應的影響大小有個概念，在圖4中顯示了多普勒頻移，近似給出了一個正在遠離的光源在相對速度變化時所接收到的頻率。例如，在上面提到的氦-氖激光的紅色譜線，當波源的速度相當于光速的一半時（參見圖中所畫的虛線），接收到的頻率由4.74×1014赫茲下降到4.74×1014×0.575=2.73×1014赫茲，這個數值大幅度地降移到紅外線的頻段。
火車的汽笛
我們比較了解多普勒效應在聲波方面的應用。當一列高聲鳴笛的火車通過時，在車站上能立刻識別出這種效應︰汽笛的聲音在火車靠近時要比遠離時高（而對于火車上的乘客來說音高是不變的）。很顯然，聲源的速度越高，所感受到的頻率改變也越大。多普勒效應的其他例子還有如交通警察測量車速的微波測速儀等。
通過多普勒效應，人們不僅可以得知遙遠的星系是否正在遠離我們，而且還可以得知遠離的速度（可以由譜線從藍到紅的移動推算）和距離（可從發出的光的強度得出）之間的直接比例關系。所有這一切好像都是整個宇宙集中在一個空間點上，從某個時刻起宇宙的各部分開始以相同的膨脹速度相互遠離，直到今天，走過了與速度成比例的距離。這就是眾所周知的大爆炸模式︰除了對初始的大爆炸之後的發展模式存在不同的見解之外，今天，大爆炸模式在科學家中被普遍認同。但是在哈勃之前，人們曾經以為宇宙是靜態的，盡管俄羅斯人亞歷山大•弗里德曼（Alexandr Friedmann）曾經做過宇宙正在膨脹的正確預測。
宇宙的年齡
除了宇宙的半徑之外，現在我們還能估計宇宙的年齡。我們前面已經提到，星系的速度和它們之間的距離的關系是一種線性比例關系。那麼我們用公式表達為V=Hr，其中V表示速度，r表示距離，H就是哈勃常數。H的倒數等于r/v，空間距離除以速度，表示星系從大爆炸開始旅行所持續的時間，因此也就是宇宙的年齡。根據最近進行的測量（這些測量主要是以觀測超新星的爆發為基礎的），宇宙的年齡（1/H）遠比哈勃最初確定的要長得多，大約為150億年。
如果我們假設所有星系中最遙遠的星系可能在我們的視野所無法企及的地方，從它們誕生之日起就一直以愛因斯坦相對論所能允許的最大速度（C= 300000公里/秒）在旅行，那麼我們可以對宇宙的半徑做出一個近似的計算︰半徑約為150億光年，或者說超過1023公進而。面對這麼漫長的時間和這麼龐大的尺度（也許注定還會無限膨脹），我們只有目瞪口呆。
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責任編輯:skylook
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