宇宙的膨胀

枫林人家

100多年前在天文学领域占主导地位的是牛顿的宇宙模型，简单地讲就是在“大尺度”或“宏观”上宇宙是无限的、静止的、不变的。这里需要强调的是“大尺度”，也就是把宇宙作为一个整体来看时，它是无限的、静止的、不变的。当然，在“小尺度”或“微观”上看，星体处在不断地运动状态中，相互之间还可能发生碰撞。比如在太阳系中，行星绕着太阳转，小行星、流星等有时会与大行星发生撞击等。太阳系在整个宇宙中就是“小尺度”，是“微观”。
这有点像一杯静止的水，我们看这杯水时，水是静止的、不动的。可其中的水分子却是处于剧烈的运动之中，而且是无规则的、相互碰撞的，也就是做着所谓的“布朗运动”。这个现象通过简单的布朗实验就可以一目了然。
爱因斯坦曾经是牛顿宇宙模型的忠实拥趸，当前苏联科学家亚历山大 弗里德曼（Alexander Friedmann）和比利时天文学家乔治 勒梅特（Georges Lemaitre）运用其广义相对论推导出宇宙并非是静止的，而是处于膨胀之中的结果时，爱因斯坦本人并不认同，为此还在其广义相对论的方程式中加上了一个“宇宙常数”来确保不会得出“宇宙正在膨胀”这个在他看来很荒谬的结论。
直到1929年美国天文学家哈勃在用天文望远镜观测一种叫做“造父变星（Cepheid Variables）的脉动周期从而推算星系间的距离时，意外地发现星系发出的光有”红移现象“，也就是星系发出的光在逐渐地变红时，爱因斯坦才改变了自己的观点，承认宇宙正在膨胀。
众所周知，在可见光中红光具有最长的波长和最小的频率。光的红移类似于声音的变化，当一部警车向我们驶来时，随着距我们越来越近，警笛的音调会越来越高，也就是其频率在升高、波长在缩短。当它驶离我们时，其音调会越来越低，也就是其频率在下降、波长在变长。
光的红移现象说明我们接受到的光波频率在下降、波长在变长，表明星系正在离我们越来越远。
如果仅此而已只能说明被观测的星系相对于地球在运动、在逐渐远离地球，似乎与宇宙膨胀并无直接的关系，不能据此说明宇宙的膨胀。
但实际上哈勃在观测中还发现了另外一个很有趣的现象：距地球越远的星系离开地球的速度越快，而且速度与距离之间存在近乎完美的正比关系。比如说有两个星系A和B，星系A距地球的距离是X光年，星系B距地球的距离是2X光年，当测得星系A离开地球的速度是Y时，观测发现星系B离开地球的速度竟然是2Y，刚好是星系A的速度的2倍！这种近乎完美的比例关系仅仅用星系运动就很难解释通了。
同时他还有一个更有趣的发现：所有的星系都在相互远离。比如在一条直线上有三个星系A、B、C，星系B在星系A和星系C之间，当星系B远离星系A时，按照通常的理解，它在远离星系A时，会同时靠近星系C。可事实并非如此，在星系B离开星系A时，它距星系C的距离并没有因此而缩短，反而同样是越来越远了。也就是说，这三个星系同时在互相远离，而且是在同一条线上！
这种现象实在是令人匪夷所思！经过认真的研究和思考后，哈勃恍然大悟：并不是星系在运动，而是宇宙空间本身在膨胀！
为了更清楚地说明这个有些烧脑的问题，我们把它简化成一个线性模型。设想有一根长5米的橡皮筋，将其左端命名为O，即原点。然后从左向右等距离地标出5个点，分别是A1、A2、A3、A4和A5，相互之间的距离是1米，A5是最右端的端点。这5个点距原点O的距离分别是1米、2米、3米、4米和5米。
准备工作完成后，我们匀速拉伸橡皮筋，用1秒的时间将其从5米长拉伸到10米长。这时我们发现A1距原点O的距离从1米变成了2米，运动速度是1米/秒；A2距原点O的距离从2米变成了4米，运动速度是2米/秒；以此类推，A3从3米变成了6米，运动速度是3米/秒；A4从4米变成了8米，运动速度是4米/秒；A5从5米变成了10米，运动速度是5米/秒。
由此可以得出以下结论：

• 距离原点O越远，运动速度越快；
  
• 速度与原始距离成正比，比如A1距原点的原始距离是1米，运动速度是1米/秒；A2距原点的原始距离是2米，运动速度是2米/秒。原始距离之比是2，运动速度之比也是2。
  
• 这些点彼此之间都在远离；
  

完全符合哈勃的观测结果。
这个简单的例子说明，产生这些现象的原因不是”点“的运动，而是橡皮筋在膨胀拉长。如果橡皮筋不动，单靠”点“的运动是无论如何不会出现这些有趣的现象的。
同理，如果不是宇宙在膨胀，单靠星系的运动是不会出现那些有趣的现象的。
我们可以把上面的模型复杂化一点，把橡皮筋变成一只气球，先把气球吹胀一些，比如说吹到直径为10cm后停止，在气球上贴上几个小星星帖纸，然后继续吹直到直径变成20cm时停止。这时就会发现小星星还是牢牢地贴在气球上，可它们之间的距离却变大了，而且是彼此间的距离都变大了，没有任何例外。这个例子说明不是小星星发生了运动，而是气球膨胀了，体积变大了，导致这些安静的小星星彼此远离了。




哈勃的观测证明了宇宙确实处于膨胀之中，就像那个被吹的越来越大的气球一样。是宇宙空间的膨胀导致星系的彼此远离。
顺便提一句，“孙悟空跳不出如来佛的手心”是不是说中国古人很早之前就意识到了宇宙在膨胀这个现象？

奪掵書玍

大人，此事必有蹊跷！

悟圆

确实不错，顶先