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              宇宙科普知識(shí)宇宙科普知識(shí)

              來(lái)源:www.twpcom.com???時(shí)間:2021-10-21 17:27???點(diǎn)擊:271??編輯:弘藍(lán)???手機(jī)版

              ??圍繞一個(gè)問(wèn)題弄得哦,夠不?
              宇宙知識(shí)——宇宙在膨脹嗎?
              夏日夜空,繁星閃爍,不禁使人陷入對(duì)宇宙的遐想之中。20世紀(jì)10~20年代,天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)星系光譜線的頻率隨著它離我們距離的遠(yuǎn)近而有規(guī)律地變比,即譜線紅移。
              ??1929年哈勃總結(jié)出譜線紅移的規(guī)律是:對(duì)遙遠(yuǎn)星系,紅移量與星系離我們的距離成正比,比例系數(shù)H叫哈勃常數(shù),這紅移叫宇宙學(xué)紅移。此后,在紅外及整個(gè)電磁波波段都觀測(cè)到了這個(gè)規(guī)律。它被解釋為是由星系系統(tǒng)地向遠(yuǎn)離我們的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的多普勒效應(yīng)產(chǎn)主的。這就像火車(chē)遠(yuǎn)離我們行駛時(shí)汽笛的聲調(diào)(即頻率)比靜止不動(dòng)時(shí)的聲調(diào)更低一樣,由此得出星系都在做遠(yuǎn)離我們的運(yùn)動(dòng),離我們?cè)竭h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)速度越快的結(jié)論。
              ??這就好像是摻有葡萄干的面包在烤箱中膨脹起來(lái)一樣。這個(gè)模型叫宇宙膨脹模型或大爆炸模型。近年來(lái)在宇宙膨脹的基礎(chǔ)上又提出了爆脹宇宙等多種改進(jìn)模型。
              從宇宙膨脹的觀點(diǎn)出發(fā),利用哈勃公式反推到過(guò)去宇宙中所有天體應(yīng)該聚集于一點(diǎn),由于某種原因在它內(nèi)部產(chǎn)生了大爆炸。
              ??誕生了現(xiàn)在的宇宙,從而得出了時(shí)間是有開(kāi)端,空間是有限的結(jié)論。宇宙從大爆炸到現(xiàn)在究竟經(jīng)過(guò)了多少時(shí)間,即宇宙的年齡是多少,這取決于哈勃常數(shù)H的大小。最初哈勃常數(shù)僅500(公里/秒/百萬(wàn)秒差距),這樣算出的宇宙年齡比地球的45億年的年齡小很多。以后改為50~100之間。
              ??若取100,宇宙的年齡只有100億年,而銀河系的球狀星團(tuán)的年齡是150億年,矛盾很大。若取50,宇宙年齡為200億年,矛盾不那么明顯,因此被大爆炸宇宙論者所贊同,但在觀測(cè)上,這個(gè)數(shù)值有些勉強(qiáng)。究竟是多少,一直沒(méi)有定論。近年來(lái)用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的結(jié)果傾向于取80。
              ??這樣算出的年齡為120億年,矛盾還很明顯。宇宙將來(lái)是一直膨脹下去還是又收縮回來(lái),這要取決于宇宙的平均密度。而宇宙平均密度究竟是多少目前還不能確定,因?yàn)橛^測(cè)的距離越遠(yuǎn),平均密度越小,下限有沒(méi)有還不能確定。1965年發(fā)現(xiàn)了宇宙空間的2。7K微波背景輻射,被大爆炸論者解釋為大爆炸時(shí)期的光經(jīng)過(guò)上百億年后的遺跡,是大爆炸宇宙的一大證據(jù),但這種解釋并不是唯一的,因?yàn)橛钪婵臻g中充滿介質(zhì),2。
              ??7K微波背景輻射具有黑體輻射的性質(zhì),可以解釋為宇宙空間中介質(zhì)發(fā)出的溫度是2。7K的熱輻射。
              仔細(xì)分析起來(lái),問(wèn)題可能出在將光譜線的紅移都解釋為星系運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)上。過(guò)去,人們?cè)枚嗥绽招?yīng)解釋了銀河系內(nèi)恒星的光譜線移動(dòng),從而成功地確定了星系內(nèi)存在自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
              ??但現(xiàn)在天文觀測(cè)中卻發(fā)現(xiàn)一些紅移現(xiàn)象,若用運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)解釋就存在許多困難,這促使人們考慮到必然還有其他機(jī)制能產(chǎn)生紅移,這里列舉幾種觀測(cè)結(jié)果。
              ①多普勒效應(yīng)對(duì)同一個(gè)天體,其紅移量與光譜線的頻率無(wú)關(guān),因此觀測(cè)每個(gè)星系中不同譜線的紅移量,比較它們是否一致,就是鑒別紅移是否由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的一種依據(jù)。
              ??如果一致,就表示有可能是由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的;如果不一致,就肯定它至少不完全是由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的。1949年威爾遜對(duì)星系NGC4151的觀測(cè)結(jié)果表明,雖然不同頻率的紅移量差別不大,但也超出了觀測(cè)的誤差范圍,頻率越高,紅移量越小。這樣至少可以認(rèn)為宇宙紅移不完全是由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的。
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              ②從太陽(yáng)中心到邊緣各點(diǎn)發(fā)出的同一種譜線,在扣除了各種已知的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)后,越靠近邊緣的地方紅移量越大,在太陽(yáng)半徑90%左右的地方,紅移量急劇增加。這意味著太陽(yáng)上還有某種未知的因素在產(chǎn)生紅移。
              ③先驅(qū)6號(hào)宇宙飛船發(fā)射的遙測(cè)信號(hào)中心頻率為2292兆赫,當(dāng)飛船繞到太陽(yáng)背面經(jīng)過(guò)太陽(yáng)邊緣時(shí)觀測(cè)到異常紅移現(xiàn)象。
              ??
              ④類星體紅移量一般都很大,如果把這都?xì)w結(jié)為多普勒效應(yīng),算出的距離一般在100百萬(wàn)秒差距以上。由此推算出它發(fā)出的總光能力為銀河系的100倍;射電能為銀河系的10萬(wàn)倍。
              而由光變周期算出它的直徑只有一光年左右,這意味著類星體的輻射密度非常高,但目前一直找不到產(chǎn)生這樣高輻射密度的物理機(jī)制。
              ??有些天文學(xué)家認(rèn)為,類星體的紅移中至少有一部分不是由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的,因而類星體離我們的距離較現(xiàn)在推算的要近得多。
              ⑤星系、類星體相互之間都有成協(xié)的現(xiàn)象,即這些天體兩兩或更多相距較近并有物理聯(lián)系。觀測(cè)表明,有些成協(xié)天體間紅移值相差較大,有些類星體光譜中的吸收線與發(fā)射線互不相同,而且不同的吸收線有各不相同的紅移值,稱為多重紅移。
              ??
              既然這些紅移不能用多普勒效應(yīng)解釋,那么它產(chǎn)生的原因究竟是什么呢。光在發(fā)射時(shí)固然有許多因素影響它的頻率,但宇宙中這么多天體都如此有規(guī)律地只隨著遠(yuǎn)離我們的距離而變化,就難以理解了。光在它漫長(zhǎng)的傳播路徑上經(jīng)歷了幾億至上百億年的歲月,這期間必然比它在發(fā)射的一瞬間有更多的因素影響著它的頻率。
              ??現(xiàn)在人們了解到,在星系際空間中存在著星系際介質(zhì),它的密度在10E-29克/立方厘米以下。成分與銀河系的大致相同。除了有能對(duì)星光產(chǎn)生可見(jiàn)效應(yīng)的星系際氣體、塵埃和固態(tài)物質(zhì)、低光度星體外,還有大量的基本粒子。
              據(jù)估計(jì),星系間基本粒子的質(zhì)量占了整個(gè)宇宙總質(zhì)量的絕大部分,它們是看不見(jiàn)的。
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              光與介質(zhì)的相互作用是復(fù)雜的,介質(zhì)不僅能吸收光,還能再發(fā)射光;再發(fā)射的光,其頻率不僅僅只是原有的頻率,還有其他的頻率,只是在原有頻率及其附近強(qiáng)度最大。其實(shí),人們?cè)缫咽熘庾釉趥鞑ミ^(guò)程中由于與介質(zhì)的相互作用會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變成低頻的光子。
              ??但過(guò)去人們認(rèn)為這只會(huì)使譜線衰減而不會(huì)產(chǎn)生紅移。
              由惠更斯原理知道,波前上所有粒子產(chǎn)生的子波疊加后能形成具有新頻率的平面波。新產(chǎn)生的頻率疊加在原有頻率上的結(jié)果,不像通常認(rèn)為的那樣譜線會(huì)被平滑而消失,而是譜線被整體地移動(dòng),在遠(yuǎn)距離傳播中,光的頻譜的變化就好像在譜卒域中傳播的波一樣。
              ??這里頻率域相當(dāng)于弦,光譜的強(qiáng)度相當(dāng)弦的振幅,一條譜線對(duì)應(yīng)于弦上的一個(gè)波峰,弦上波峰的傳播對(duì)應(yīng)于譜線在頻率域中傳播。這種新型的波叫頻域波。如果新產(chǎn)生的頻率電較原來(lái)頻率低的能量大于較原來(lái)頻率高的能量,頻域波向低頻端傳播,形成譜線紅移;反之,頻域波向高頻端傳播,形成譜線紫移。
              ??由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)知道,通??偸堑皖l成分多于高頻成分,所以實(shí)際上常觀測(cè)到紅移。
              星系際空間是充滿介質(zhì)的,星光必須通過(guò)介質(zhì)才能到達(dá)地球,所以光譜線必定會(huì)紅移,而且距離越遠(yuǎn)紅移量越大,這與哈勃公式是一致的。對(duì)宇宙紅移來(lái)說(shuō),應(yīng)先扣除介質(zhì)產(chǎn)生的紅移效應(yīng),剩余部分才可能解釋成多普勒效應(yīng),這是處理觀測(cè)數(shù)據(jù)所必需的步驟。
              ??但以前在得出膨脹宇宙模型時(shí),并沒(méi)有做這件工作,扣除后的結(jié)果無(wú)非是3種情況:①全部扣完,宇宙是穩(wěn)定的。②還有剩余,宇宙是膨脹的。不過(guò),這時(shí)膨脹速度要比現(xiàn)在認(rèn)為的速度慢得多,宇宙的年齡也比現(xiàn)在算出的大許多。③是負(fù)值,宇宙正在收縮。由于我們目前對(duì)宇宙空間的情況了解甚少,雖然對(duì)地球上的介質(zhì)與波的相互作用知道一些,但畢竟對(duì)在星系際空間中實(shí)際發(fā)生的情況知道甚微,也許還有些重要的相互作用沒(méi)有認(rèn)識(shí)到,介質(zhì)產(chǎn)生紅移扣除的結(jié)果很難認(rèn)為是已經(jīng)完成。
              ??也許我們應(yīng)當(dāng)反過(guò)來(lái),即從宇宙紅移來(lái)反推星系際介質(zhì)的情況,這是因?yàn)?,我們所看到的宇宙是有層次的,有行星、恒星、星團(tuán)、星系,星系團(tuán),總星系等,它們的平均密度呈指數(shù)下降,這些都說(shuō)明宇宙是不均勻的。地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng),太陽(yáng)繞銀河系中心轉(zhuǎn)動(dòng),銀河系繞本星系團(tuán)的中心轉(zhuǎn)動(dòng),星系團(tuán)又繞以宇宙背景輻射所表征的經(jīng)過(guò)平均后的星系際空間的介質(zhì)運(yùn)動(dòng),宇宙也不是各向同性的。
              ??這是我們所能看見(jiàn)的最遠(yuǎn)的宇宙的情況。
              大家知道。對(duì)于一個(gè)引力系統(tǒng)來(lái)說(shuō),只有具有一定的角動(dòng)量(旋轉(zhuǎn))才可能維持比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。因此,我們觀察到的宇宙是比較穩(wěn)定的,可以認(rèn)為宇宙紅移主要是光通過(guò)星系際介質(zhì)時(shí)的頻域波。正如上面談到的,宇宙是膨脹的,穩(wěn)定的還是收縮的,要扣除星系際介質(zhì)的效應(yīng)后才能確定。
              ??而扣除介質(zhì)的效應(yīng)需要對(duì)星系際介質(zhì)有較詳細(xì)的了解,這在目前還難以做到。也許應(yīng)該從我們所觀測(cè)到的宇宙是較穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)出發(fā),用紅移資料來(lái)反推介質(zhì)的情況。人類就是這樣在不斷探索中來(lái)認(rèn)識(shí)宇宙的。

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