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火车的汽笛和宇宙的年龄
（2006年06月02日 10:48）
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宇宙的现代概念开始成形于1924年。这一年，美国著名天体物理学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）根据其所做的测量表示，我们所处的银河系并非一个孤立的空间分开的众多星系中的一个（应该说伽利略早就提出过这种说法）。就像我们今天已经知道的那样，宇宙中有数十亿个星系。
哈勃采用的测量方法以星系发出的光的强度为基础，那些离我们最近的恒星的距离可以通过视差法计算出来，然后，根据这些恒星发出的光的强度和与我们之间距离的比例关系（光的强度越高距离我们越近，强度越弱距离我们就越远），他当时就能够测量一定数量的更远的星系的距离。推而广之，也就是通过测量可见的最远星系发出的光，甚至就可以估算宇宙的年龄和大小。
宇宙在膨胀中
然而，哈勃的测量方法无法保证得到较为精确的结果，后来人们发现了气体吸收谱线的红移现象，从此，这个被称为多普勒效应的现象使我们握有了测量星系的理想工具，帮助我们拓宽了认识宇宙的视野。
一个炽热的天体（比如一颗恒星）发出的光具有典型的光谱分布特征，天体表面温度从低到高，颜色则从红色逐渐趋向蓝色。例如，太阳表面的温度大约为 6000℃，发出的光主要分布在我们眼睛可见的区域，合成在一起的颜色被我们定义为“白色”；天狼星表面温度大约为10000℃，它发出的光则趋向于淡蓝色。恒星发出的光要到达地球必须穿过恒星的大气层，这就导致了发出的光的光谱中某些颜色成分的减弱，光谱的吸收与所遇到的特殊的气体构成有密切的关系。
人们发现，在那些离地球较近的恒星上和在地球上一样，每种气体吸收同样精确的光谱成分（换言之，在太空中物理和化学定律并未发生变化）。应该说，正是由于这种情况，通过观察各种气体特有的吸收谱线，我们就能确定每一颗恒星大气层气体的构成。然而，如果研究遥远的恒星，就会发现一个不寻常的事实：同一种气体呈现的吸收谱线位置向红色方向移动，恒星的距离越远，红移就越大。这就是著名的多普勒效应。这种效应表明，宇宙正在膨胀，因为星系正在相互远离。另外这种效应还可以帮助我们估算这种效应还可以帮助我们估算远离的速度。
多谱勒效应
在单色光的情况下，我们的眼睛感知的颜色可以解释为光波振动的频率，或者解释为，在1秒钟内电磁场交替变化的次数。在可见光区域，这种频率越低，就越趋向于红色，频率越高，就趋向于蓝色-紫色（图2）。比如，由氦-氖激光所产生的鲜红色对应的频率为4.74×1014赫兹，而汞灯的紫色对应的频率则在7×1014赫兹以上。这个原则同样适用于声波：声音高低的感觉对应于声音对耳朵的鼓膜施加压力的振动频率（高频声音尖厉，低频声音低沉）。
如果波源是固定不动的，不动的接收者所接收的波的振动与波源发射的波的节奏相同：发射频率等于接收频率。如果波源相对于接收者来说是移动的，比如相互远离，那么情况就不一样了。相对于接收者来说，波源产生的两个波峰之间的距离拉长了，因此两个波峰到达接收者所用的时间也变长了（图3）。那么到达接收者时频率降低，所感知的颜色向红色移动（如果波源向接收者靠近，情况则相反）。为了让读者对这个效应的影响大小有个概念，在图4中显示了多普勒频移，近似给出了一个正在远离的光源在相对速度变化时所接收到的频率。例如，在上面提到的氦-氖激光的红色谱线，当波源的速度相当于光速的一半时（参见图中所画的虚线），接收到的频率由4.74×1014赫兹下降到4.74×1014×0.575=2.73×1014赫兹，这个数值大幅度地降移到红外线的频段。
火车的汽笛
我们比较了解多普勒效应在声波方面的应用。当一列高声鸣笛的火车通过时，在车站上能立刻识别出这种效应：汽笛的声音在火车靠近时要比远离时高（而对于火车上的乘客来说音高是不变的）。很显然，声源的速度越高，所感受到的频率改变也越大。多普勒效应的其他例子还有如交通警察测量车速的微波测速仪等。
通过多普勒效应，人们不仅可以得知遥远的星系是否正在远离我们，而且还可以得知远离的速度（可以由谱线从蓝到红的移动推算）和距离（可从发出的光的强度得出）之间的直接比例关系。所有这一切好像都是整个宇宙集中在一个空间点上，从某个时刻起宇宙的各部分开始以相同的膨胀速度相互远离，直到今天，走过了与速度成比例的距离。这就是众所周知的大爆炸模式：除了对初始的大爆炸之后的发展模式存在不同的见解之外，今天，大爆炸模式在科学家中被普遍认同。但是在哈勃之前，人们曾经以为宇宙是静态的，尽管俄罗斯人亚历山大·弗里德曼（Alexandr Friedmann）曾经做过宇宙正在膨胀的正确预测。
宇宙的年龄
除了宇宙的半径之外，现在我们还能估计宇宙的年龄。我们前面已经提到，星系的速度和它们之间的距离的关系是一种线性比例关系。那么我们用公式表达为V=Hr，其中V表示速度，r表示距离，H就是哈勃常数。H的倒数等于r/v，空间距离除以速度，表示星系从大爆炸开始旅行所持续的时间，因此也就是宇宙的年龄。根据最近进行的测量（这些测量主要是以观测超新星的爆发为基础的），宇宙的年龄（1/H）远比哈勃最初确定的要长得多，大约为150亿年。
如果我们假设所有星系中最遥远的星系可能在我们的视野所无法企及的地方，从它们诞生之日起就一直以爱因斯坦相对论所能允许的最大速度（C= 300000公里/秒）在旅行，那么我们可以对宇宙的半径做出一个近似的计算：半径约为150亿光年，或者说超过1023公进而。面对这么漫长的时间和这么庞大的尺度（也许注定还会无限膨胀），我们只有目瞪口呆。
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