041126从天圆地方看宇宙 赵复垣-第2章
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那么河外星系的确认应该是人类在认识宇宙的过程中非常重大的进展，可以说是划时代的。我们现在对宇宙的了解就比以前，就是说我们认识到的宇宙比以前是大得多了。有很多天文学家在河外星系被确认前后这一段时间，就开始研究它们的光谱。我们知道，就是从一个天体来的光我们接收到了以后，通过一些分光元件，比如大家可能知道，一些棱镜或者光栅，就能把它分解成一道一道的光谱，这些光谱里实际上携带了很多非常重要的信息。我们了解地球以外的天体，更多的是通过分析它们的光谱才得到。那么这幅图就展示了几个河外星系的光谱，这里边就是我们获得的一个非常重要的信息是什么呢？就是关于河外星系光谱的红移的问题，在这幅图里集中的显示了非常重要的发现。最上面那个是一个河外星系，它看起来比较大，比较亮，它离我们的距离比较近。那么最下边那个看起来很小、很暗，距离我们非常远的一个河外星系。那么右边这几幅图就是它们的光谱。大家注意，它们的光谱里边有两条黑色的线，就是所谓吸收线，大家看起来那儿像是一个缺口。大家注意这两条吸收线的位置，就是距离我们比较近的河外星系，在它的光谱里边，这两条吸收线比较靠左边，那么在距离我们最远的河外星系，它的光谱里边这两条吸收线就移到了最右边，最右边实际是光谱的红端，就是说距离我们越远的星系，它的谱线就越向红端移动。就是说如果一个光源在远离我们运动的话，那么它所发出来光的光谱，其中的谱线就要向红端移动。而且运动速度越快，向红端移动的范围就越大，这就是所谓谱线的红移。
那么这个事实是非常重要的，对于我们现在对宇宙的认识是非常重要的，这说明了什么呢？就是几乎所有的河外星系它们的光谱谱线都发生了红移。那么越远的星系，它的红移量就越大，这说明了两个问题，第一，所有的河外星系都在远离我们运动；第二，距离我们越远的河外星系，它远离我们运动的速度就越快，或者说是退行的速度越快。还是哈勃，哈勃继续研究了这个非常重要的事实，当然还有一些许许多多其他的天文学家，也进行了类似的工作。后来哈勃他们就发现了这条非常重要的规律。那么哈勃还建立起一个公式，所谓哈勃定律。它就是说越远的河外星系，它的红移量就越大，就说明了它相对于我们退行的速度就越快。
大家注意，这是一个观测事实，是一个试验事实，不是哪个理论学家提出来的。而且谁去观测，都能观测到这个河外星系谱线的红移，那么这一点肯定会导致一个新的科学的诞生，它导致了什么新的科学理论呢？所谓宇宙膨胀这样一个学说，就是我们的宇宙现在正处在一个不停地膨胀之中。因为星系是宇宙中物质的一种主要的表现形态，它有宇宙岛之称。那么所有的星系都在远离我们运动，这样就直接导致了宇宙膨胀说的建立。这幅图就展示了在哈勃太空望远镜下我们所发现的众多的河外星系。大家看，其中一些椭圆的物体都是河外星系，在这样一个非常小的天区里边就有如此之多的河外星系。
爱因斯坦在上个世纪初的时候，先后发表了狭义相对论和广义相对论。大家知道，狭义相对论，它的特点是把时间、空间和物体的质量和这个物体的运动联系起来。在爱因斯坦之前，时间和空间，质量这三个重要的物理量和物体的运动状态是无关的，那么在狭义相对论里边这几个因素，这几个重要的物理参量就联系到一起了，尤其是当物体的运动接近光速的时候。那么时间、空间和质量的变化就变得绝对不可以忽略，这是狭义相对论的情况。后来爱因斯坦又发表了广义相对论。那么广义相对论说是的什么呢？是说在一个大质量物体的周围，它的时间和空间都要发生弯曲，这个时间和空间发生弯曲，这件事儿怎么理解呢？我举一个例子，就是说在一个时间和空间发生明显弯曲了的这样一个空间里，连光线都要发生弯曲。我们知道，这光线在我们的经验里，永远是沿着直线传播的。大家可能都玩过那个激光手电，打一束激光出去，它的光传播轨迹绝对的是一条直线，这是我们的生活经验告诉我们。那么广义相对论就是说，在一个弯曲的时空里面，这个光线也要发生弯曲。大家想，如果在一个时空里面，连光线都发生弯曲了，那么在这个时空里面就没有什么东西是直的了，这是一个光线的例子。爱因斯坦这个广义相对论发表以后呢，这个理论就听起来就很玄，当时据说在世界上没有几个人能读得懂这个广义相对论，就是几乎没有人能接受这种理论。后来爱因斯坦就提出了一种办法，就是提出了一种有可能检验广义相对论是否正确的一个办法，这是一个什么办法呢？就是在日全食的时候有可能做的一个试验。那么在日全食的时候，天空黑暗下来以后，我们就有可能观察到太阳后边恒星的位置。根据广义相对论，太阳是一个大质量的天体，那么在它周围，它的时空应该发生弯曲。如果这个恒星的光在经过太阳附近的时候发生了弯曲，那么我们看起来，这个恒星的位置就会发生一点点移动。因为我们的经验总是告诉我们，这光从哪儿来，那么光源就在哪个位置上，这是我们人类的经验告诉我们。但是如果这个光线发生弯曲了，我们就有可能对这个光源的位置发生误解。这就如同你把一根筷子插到盛着一碗水中，你会觉得筷子是弯了，那么这时候，因为光线在通过空气和水表面的时候是发生折射了，这也是一种光的弯曲。那么这样，我们对物体真实位置的判断就会发生一个错觉。
如果恒星的光在经过太阳附近真的发生弯曲了，那么我们就会看到恒星的位置发生一点点变化。
在上个世纪初的时候，有一支日食观测队就在非洲去观测了一次日全食。他们就真的拍下了当时在日全食发生的时候，太阳附近恒星的位置，就拍下来这个照片。后来拿回来进行了仔细地计算以后就发现，这个恒星的位置真的是发生了变化，而且发生变化量跟广义相对论预言的那个变化量是非常一致的，完全在误差范围里面。那么这样就通过这次日全食的观测，广义相对论第一次得到了验证。回到这幅图，我想大家看到，就是在日全食期间，人们真的观察到了恒星位置的移动。那么这是一个观测事实。大家想，假如太阳的质量不是现在这样大，它的质量是现在的五倍、十倍，大家想，这个光线弯曲的程度是不是会更甚一些，说白了是更厉害一些，比光线弯曲更厉害一些。那么假定这个质量再大一些，变成太阳的一百倍，光线弯曲程度更甚一些呢，这是非常自然的，从逻辑上是非常正常的。那么大家想，总有一天能够到那样一种程度，如果这个物体的质量大到了一定的程度，那么这个光就会落到上面，发生了极端的弯曲，就干脆落到大质量物体上面了，就出不来了，那么这样大质量物体就变成什么了，就变成黑洞了。所以说黑洞的存在是广义相对论的一个推论。那么黑洞本身，如果要直接观测它，那是非常困难的，因为光从它那儿出不来。但是我们可以通过间接的办法，一些其他的方法来观察它。比如说天上的X射线源，一个物体在向黑洞里坠落的时候，它是一个加速运动，就是说它是越来越快的，因为根据牛顿第二定律在一个不变力的作用下，它做的是加速运动。那么在做加速运动的时候，它就能辐射出来，而且是高能辐射，能够辐射出来。那么这样通过搜寻天上的X射线源的办法，就可以寻找天上的黑洞。但是这也是一种间接的办法。现在我们是说日全食的观测事实已经证明了在大质量物体周围，这个光线的弯曲是真实的，是可以重复的进行观测的。那么我们就用逻辑推论证明黑洞是可能存在的。
有了宇宙膨胀学说以后呢，那么新的问题就来了。大家想，既然宇宙现在这些河外星系在不停的远离我们运动，在向四面八方膨胀，假如我们把时间向回推的话，比如说一亿年前，那么这些河外星系的距离是不是比现在要小一些呢，距离我们更近一些呢，这在逻辑上是非常正确的。那么如果你继续往回推的话，它们的距离本来应该更近一些。那么不断地往回推，总有可能出现这样一种情况，就是最早它们都在一个点上。那么这样的一种理论，是比利时天文学家勒梅特他最早提出来的。他认为最早的时候，存在着一个所谓“原始原子”，那么这个“原始原子”后来就发生了一次爆炸。那么这“原始原子”物质开始向四面八方分散开来。这样勒梅特他就最早提出了“原始原子”和宇宙爆炸的这样一种概念。那么爱因斯坦他在提出广义相对论以后，有一次他亲耳聆听了勒梅特一个科学报告，勒梅特在这个报告里面就把他的“原始原子”这样一个概念提出来了，爱因斯坦听完了以后就当即表示，这是我所听到的最好的一个科学报告。从那以后爱因斯坦就是在一定程度上支持大爆炸这个学说。
大爆炸理论站稳了脚跟以后到现在为止，根据最新的研究结果，我们看到了，第一，就是宇宙现在正在膨胀中，而且不仅是膨胀，而且膨胀还在加速，这是最新的观测结果。第二个观测结果，就是关于宇宙中的物质。就是为什么科学家对宇宙中的物质非常感兴趣呢？他实际关心的是宇宙中物质的总量。宇宙中物质总量到底有多大？我们知道，现在宇宙在膨胀，那么本来应该根据万有引力，宇宙中的物质应该集中到一点上，由于引力存在嘛，它们距离应该越来越近。正是由于大爆炸以后的惯性，所以向四面八方膨胀的一种力抵消了万有引力，就是膨胀的力占了优势。所以宇宙才能处在现在的这样一种膨胀的状态当中。那么会不会有一天膨胀加速它减慢下来，由于万有引力的存在，宇宙又会不会向一个中心去坍塌呢？
最后我想用斯蒂芬。霍金的一句话来结束我们今天这堂课。他说，无论如何，科学的力量在于，凡是未经试验验证的东西，就不能被认为是真实的存在。好，谢谢大家！
（来源：cctv…10《百家讲坛》栏目）
（编辑：兰华来源：CCTV）
