1929年,美國天文學(xué)家哈勃發(fā)現,在宇宙空間不僅幾乎所有的星系都具有譜線(xiàn)紅移現象,而且還存在著(zhù)星系的紅移量與該星系的距離成正比的關(guān)系,也就是說(shuō),越遠的星系正在以越快的速度飛馳而去,這被稱(chēng)為哈勃定律。 有了哈勃定律,天文學(xué)家通過(guò)觀(guān)測星系的譜線(xiàn)紅移量,求出星系的視向速度,進(jìn)而得出它們的距離。例如,一個(gè)以1700公里/秒的速度遠離我們而去的星系,其距離約1億光年;一個(gè)以17000公里/秒的速度遠離我們而去的星系,其距離約10億光年。目前已觀(guān)測到的最遠星系,正以與光速相差無(wú)幾的速度遠離我們而去,其距離達100多億光年。為什么星系都在離我們而去呢?
紅移的本質(zhì)是什么?為什么會(huì )存在哈勃定律?這些問(wèn)題已經(jīng)爭論了半個(gè)多世紀了,但一直未能得到圓滿(mǎn)的解釋?zhuān)蚨闪颂煳膶W(xué)里的老大難問(wèn)題。
在哈勃定律發(fā)表前兩年,比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特就提出了宇宙膨脹的概念。1930年,英國天文學(xué)家愛(ài)丁頓把勒梅特的模型和哈勃定律聯(lián)系起來(lái),稱(chēng)宇宙為膨脹的宇宙。1932年勒梅特進(jìn)一步提出現在觀(guān)測到的宇宙是一個(gè)巨大的原始火球爆炸而形成的·到了40年代末,在發(fā)現了太陽(yáng)的巨大能源來(lái)自熱核反應后,美國物理學(xué)家伽英夫把宇宙膨脹論和基本粒子的運動(dòng)聯(lián)系起來(lái),提出了熱大爆炸宇宙學(xué)。他認為宇宙起源于高溫、高密度的,“原始火球”的一次大爆炸。在熱大爆炸模型提出后的一段時(shí)間內,很少有人關(guān)心它。直到1965年,美國貝爾電話(huà)實(shí)驗室的彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現了3K微波背景輻射(也稱(chēng)宇宙背景輻射)后,才使大爆炸學(xué)說(shuō)一躍成為最有影響的學(xué)說(shuō).隨著(zhù)其他研究者的后繼測量,宇宙背景輻射已成為大爆炸模型有效性的有力見(jiàn)證,成為考慮宇宙中大足度流動(dòng)的有用的“絕對框架”,還因其表現的各向同性,成為發(fā)表星系形成理論的重要約束。 天文學(xué)家認為,所謂宇宙大爆炸,并不能想象為高密度高能量的宇宙物質(zhì)在爆炸后,高速沖向早已存在的空虛的空間之中,如果這樣,原爆炸中心將會(huì )留下一個(gè)逐漸增大的空洞。同時(shí),爆炸時(shí)輻射比物質(zhì)走得快,結果爆炸時(shí)發(fā)出的所有輻射就會(huì )與物質(zhì)分離。實(shí)際上這兩種現象都不存在,因此宇宙大爆炸必須想象為空間本身自大爆炸開(kāi)始以光速膨脹。 大爆炸學(xué)說(shuō)比較自然地說(shuō)明了許多觀(guān)測現象,而且理論和觀(guān)測結果比較好地相符。但是也遇到了一些問(wèn)題,其中最突出的是“原始火球”是從哪里來(lái)的?有的天文學(xué)家認為:起初宇宙是極其稀薄的氣體,由于萬(wàn)有引力的作用,逐漸收縮成一團超密物質(zhì)。然后再爆炸,經(jīng)過(guò)膨脹階段,而重新歸于稀薄,稀薄得簡(jiǎn)直和絕對真空相差無(wú)兒。我們恰巧生活在宇宙比較飽滿(mǎn)的這個(gè)非常短暫的時(shí)期中。自然,以后還可以再收縮,再爆炸,再膨脹。1965年,美國天文學(xué)家桑得奇甚至估計這種“脈動(dòng)宇宙”每振蕩一次大約需要800多億年。這種理論是現實(shí),還是“神話(huà)”,目前還不能輕易下結論。 另外一些天文學(xué)家,他們不認為星系譜線(xiàn)紅移是由它們的退行速度引起的,因此也就不存在宇宙膨脹的問(wèn)題。然而,要在多普勒效應之外,再找出紅移的另一種解釋?zhuān)瑢?shí)在太困難了,至少從目前看來(lái)是這樣。 有一種解釋認為:,發(fā)出光譜的天體因本身的物理狀態(tài)不同而產(chǎn)生紅移。例如由于星系那里引力特別大,因此發(fā)出的光譜中紅移特別大,這叫做引力紅移。引力紅移是廣義相對論的預言之一。根據廣義相對論,當一個(gè)觀(guān)察者從遠離引力場(chǎng)的地方,觀(guān)測處在引力場(chǎng)中的輻射源發(fā)射出來(lái)的光的時(shí)候,譜線(xiàn)會(huì )向長(cháng)波方向移動(dòng),移動(dòng)量與輻射源和觀(guān)測者兩處引力勢差的大小成正比。這種效應最初是在白矮星中得到證實(shí)的。但根據引力理論計算的結果來(lái)看,引力對紅移的影響很小,不足以說(shuō)明觀(guān)測到的星系紅移現象。 另一種解釋則認為光線(xiàn)與傳播途中物質(zhì)相互作用產(chǎn)生紅移。光線(xiàn)由星系發(fā)出之后,要經(jīng)過(guò)若干萬(wàn)光年才能到達地球,光在長(cháng)途傳播中要穿透許多星系際介質(zhì)區域,光和介質(zhì)發(fā)生了某種相互作用,使光譜產(chǎn)生紅移。星系越遠,途中遇到.的介質(zhì)就越多,因而紅移也就越大,但光與介質(zhì)相遇如何相互作用而產(chǎn)生紅移,還沒(méi)有令人滿(mǎn)意的解釋。
還有一種解釋是光線(xiàn)本身變化而產(chǎn)生紅移。光線(xiàn)在幾千萬(wàn)年的傳播之中,光子發(fā)生了老化,波長(cháng)變長(cháng)而出現了紅移,由此推斷越遠的星系光線(xiàn)走得越久,所以看到的紅移也越大。這一假說(shuō)沒(méi)有得到實(shí)驗的證實(shí)。 正當星系紅移問(wèn)題鬧得不可開(kāi)交的時(shí)候,60年代又出現了類(lèi)星體的紅移現象,使問(wèn)題變得越發(fā)復雜了。根據對類(lèi)星體物理性質(zhì)的研究??梢钥隙?,類(lèi)星體是河外天體。屬于星系這一層次。既然如此.它們的紅移是不是也像正常星系那樣可以解釋為退行并滿(mǎn)足哈勃定律呢?要直接驗證這一點(diǎn)是困難的,因為至今還沒(méi)法求出類(lèi)星體的距離。對類(lèi)星體進(jìn)行統計,結果發(fā)現在紅移—視星等圖上,它們的分布毫無(wú)規律,這到底是什么原因呢? 大多數天文學(xué)家堅持認為:類(lèi)星體的紅移是宇宙紅移,即紅移反映了退行,而且紅移和距離之間存在著(zhù)哈勃關(guān)系。證據是類(lèi)星體的物理性質(zhì)與某些活動(dòng)星系很類(lèi)似,而活動(dòng)星系已被證明是滿(mǎn)足哈勃定律的。另外,已發(fā)現幾個(gè)類(lèi)星體分別很靠近某個(gè)基系團或就在星系團內,而且類(lèi)星體與星系團的紅移近似相等。還發(fā)現某些類(lèi)星體很靠近一些星系,而類(lèi)星體和星系的紅移也大致相同。他們認為,類(lèi)星體在紅移—視星等圖上之所以彌散,是由于類(lèi)基體的絕對星等彌散太大,而不是因為哈勃定律不成立。 少數天文學(xué)家認為類(lèi)星體紅移不是宇宙學(xué)的。對某些類(lèi)星體和亮星系進(jìn)行抽樣統計研究,發(fā)現有些互相成協(xié)(即聯(lián)在一起)的星系或成協(xié)的星系和類(lèi)星體彼此之間的紅移量完全不同或相差很大。另外發(fā)現有些類(lèi)星體的光譜中,其吸收線(xiàn)的紅移量與發(fā)射線(xiàn)的紅移量互不相同,而且不同的吸收線(xiàn)還有各不相同的紅移量,即多重紅移。而成協(xié)天體的不同紅移和同一天體的多重紅移,都是用多普勒效應無(wú)法解釋的,必須尋找新的紅移機制。已提出的除了上面講到的引力紅移、光子老化、物理常數變化等紅移機制外,還有一種所謂的“橫向多普勒效應”。類(lèi)星體的巨大紅移可能說(shuō)明它的橫向速度很大。 上述這些觀(guān)點(diǎn),有的僅僅是假說(shuō),有的雖有理論根據,但并不能很好地解釋類(lèi)星體的紅移.持非宇宙學(xué)紅移觀(guān)點(diǎn)的人認為,類(lèi)量體的紅移是對現代物理學(xué)的挑戰。 對星系普遍存在的譜線(xiàn)紅移的觀(guān)測和研究.有力地推動(dòng)了以整個(gè)可觀(guān)測宇宙的結構、起源和演化為課題的現代宇宙學(xué)的迅速發(fā)展。星系紅移的真相一旦被揭開(kāi),人類(lèi)對宇宙的認識必將有一個(gè)更大的飛躍。