我们知道哈勃发现了宇宙在膨胀的直接证据，就是哈勃发现在大尺度上所有的天体都在远离我们，这也不是我们把它们都得罪了，我们也不是这么让人讨厌啊。天体远离我们的速度和离我们的距离成正比，离我们越远跑的越快，这个距离和速度的比值就是哈勃常数。之所以被称之为常数，那就是因为它不变化，所以叫常数。但实际上哈勃常数真的不会变吗？未必啊。首先在宇宙大爆炸初始阶段有过暴胀，那时候膨胀速度大的吓人，远超过光速了，然后过了这个阶段之后膨胀速度就降下来了，大概在60亿年前暗能量压倒了引力，我们的宇宙就开始加速膨胀了，但这个过程里膨胀速度显然是有变化的，换句话说就是哈勃常数是有变化过的，因此哈勃常数不是一个常数。 我们现在的可视宇宙大小就是哈勃常数的倒数，再远的区域我们就看不到了。假如在我们视边界的边缘上那星系的退行速度就等于光速了，那发出来的光永远也到不了我们的眼睛里，我们也就当然没办法看到了。但既然哈勃常数不是常数，它是变化的，那就只能叫参数，如果将来哈勃参数变小了那原本在视野之外的天体就很可能又飘到了我们视野之内，因为我们的可视宇宙范围大小是会变化的，原来不在可视范围内，它将来就有可能到可视范围内了，所以现在看不到的天体将来未必也看不到，这是有关宇宙大爆炸的一个很常见的问题。 有人就会问我们的宇宙不是只有138亿光年大小嘛？因为光速就是速度的极限嘛，这宇宙138亿年的年龄那光速最多也就跑了138亿年。其实我们的可视宇宙范围远远大于138亿光年，138亿年是宇宙的年龄，因为宇宙经历过一个非常快的膨胀期，它自身的膨胀速度是不受光速限制的，因此我们现在的可视范围是远超138亿光年，大概有400亿光年的可视半径，只不过这么远的地方发出来的光到我们这就太弱了，就必须借助长时间曝光才能看到那些最微弱的影像。最著名的那个哈勃望远镜就搞过好多次深空场拍摄，最长的那次连续曝光50天的极深场拍摄，就拍到了一大堆星系，这些星系离我们都非常遥远。我们看到的可见光部分其实就是这些星系原本的紫外光部分经过红移，这红移太大了导致这些紫外光变成了可见光波段才被我们眼睛看到，这其中有一个非常暗淡的小红点，这是我们能看到最遥远的星系了，离我们大约有315亿光年。这个红点非常寂寞，因为它年龄实在太大了，而跟它年龄相仿的星系非常少，它诞生于大爆炸后的4.8亿年，那时候宇宙还才刚开始，等到6.5亿年年龄的时候这星系一下子才多起来。科学家数了一下，还有几十个，大概是60多个类似这种星系。显然在4.8亿年到6.5亿年之间一大堆星系就形成了。当然了，我们能收到最远的电磁波那就是宇宙微波背景辐射了，这是大爆炸后38万年生成了，那时候温度刚下降到光子能自由穿梭的时代，宇宙里的光子们就能自由愉快的跑了，要放以前全是障碍物，跑都跑不动。这再早的光线我们就没办法看到了，因此微波背景辐射就是一个非常重要的东西，也是一个很值得挖掘的宝藏。 哈勃深空场 哈勃在望远镜里看到的遥远天体都伴随着巨大的红移，那一开始哈勃认为这些红移是多普勒效应造成了，这个前面我们说过，而到目前为止还有很多科普书也是这么说的，还有不少科普节目介绍宇宙大爆炸的纪录片也是这么说的，还拿声音的多普勒效应做演示，比如说国外那个著名的科普频道纪录片描述红移的时候就是用飞驰过来的汽车当例子，有鸣着喇叭的汽车开过来从你身边开过去，你就能明显感觉汽车喇叭声有一个变调，开向你的时候声音频率逐渐变高，等远离你的时候声音频率又逐渐降低，这个突变你是能明显感觉到的，这个就是多普勒效应。然后纪录片就告诉你，这光波就和声波一样，星球飞向我们的时候光波频率会升高，远离你的时候光波频率会降低。我们的确看到有不少天体是有这种现象的，而我们去发现太阳系外行星也是可以靠这种办法，比如说有个恒星，它在那前后移动在那晃啊晃，那我们怎么来发现它呢？它要是左右移动那我们还好发现，如果是前后移动我们就要借助多普勒效应了，它前移的时候它频率会升高，后移的时候频率就会降低，这个光波一会朝前移动一会朝后移动，我们就能发现这东西它在前后晃。 多普勒效应 不过这个大尺度上的宇宙红移其实它并不是多普勒效应。我们看过全套的哈勃红移的计算过程，那是用广义相对论计算的，光波的拉长因子就是宇宙的尺度因子，宇宙这个尺度不变，那么光波在飞行的过程中它其实也不会变，宇宙在膨胀，那么光波就会被拉长，这跟方向就没任何关系了，随便哪个方向都一样。宇宙的尺度因子和时间是有关系的，随着时间的流逝，宇宙的尺度就越大，宇宙的膨胀就是这样的嘛，而宇宙学红移也是这样啊，光子从星球发出来的时候，刚出来那一刻其实没有被拉长，它一出来便朝我们飞，因为宇宙的膨胀，一边随着时间被拉长了，等到飞到我们眼睛里被看到了，这频率就已经降低了。如果是多普勒效应那就不是这样的，假设发生的是多普勒效应，那天体在远离我们，那么这个光子在离开那个星球一瞬间，波长就已经降下来了，而在跑的过程中它是不会有变化的。从这一点也能体会宇宙膨胀的过程，并不是那些天体自己真的在跑，而是我们彼此之间宇宙空间尺度在增大，换句话说就是我们之间的空间自己在冒出来，在彼此之间出现。 宇宙学红移则是光波在飞行过程中逐渐被拉长 那这种情况有什么观测证据吗？答案是肯定的。有个观测类星体出现的一个常见现象叫做莱曼-α森林，也叫莱曼线，从类星体的光谱里辨识一下就能发现好多组氢的吸收线，而且都不是在同光谱的同一个位置上。这是怎么回事呢？一般来说是这么解释的，这个类星体的光在飞向我们的过程中遇到了好几片冷暗的氢气云，这个氢气云自己不发光，我们没办法直接看到，但是它们会在类星体发出的光线上留下吸收谱，因为类星体体量足够看清楚，而且离我们够远，那光在路上碰到几个这种氢气云的概率就比较大，如果离我们近碰到氢气云的概率就比较小了。那好，光在飞向我们的过程当中，一边飞频率一边在下降，那么类星体自己的谱线就开始往红端移动了，这时候半路上碰到一团氢气云，这氢气云就在光谱上留下了氢的吸收线，那么这个吸收线跟类星体原本那个清晰的氢的谱线就不在同一个位置上，然后光又继续往前飞，光波继续被拉长，因为宇宙还在膨胀嘛，所以波长就在不断被拉长，这时候又碰到第二个氢气云，然后再次出现了相同的情况又被吸收了谱线，那这第二次吸收的谱线和前一次吸收的谱线都不是在同一个地方。反正等光飞到我们眼睛里的时候我们就看到这光谱吸收线杂七杂八一大堆，数一数就能算出来这中间有多少波氢气云，而且还能算出来移动了多少距离，就能算出来大致氢气云离我们的距离，这一大串的吸收谱线就叫莱曼-α线丛也叫莱曼α森林。 莱曼α森林 假如这个哈勃红移就是多普勒效应而不是被宇宙膨胀拉长的话，那么光波飞离天体的时候频率就一步降到位了，在飞行过程中频率不会变，不管过多少氢气云，吸收谱线就固定会吸收那几个位置，它不会分开，所有线都在同一个位置，而现在肯定就不是这么回事，所以这就要澄清一个概念，这宇宙学大尺度红移并不是多普勒效应，那是因为宇宙在膨胀，逐渐把光波拉长的。这无论从广义相对论的计算上还是从天文的实际观测上都证实了这一点。但还有一种情况也会使天体看起来发红，这叫做星际消光。 宇宙空间弥漫着很多气体和微粒，这就使得光线被散射、紫外光波长最短，它碰到障碍物那对光波来说就已经很大了，很容易就被散射到。因为红光波长大，那些小颗粒小气体对它来说根本就不是事，它直接就能绕过去，因此吸收最少。我们每天看到日出日落时候黄昏的那种光线就是由于大气消光引起的。宇宙间虽然气体的密度很低，宇宙空间几乎是高真空嘛，那架不住大尺度距离太远了，但如果都聚到一起那气体啊尘埃啊还是有不少的，所以说要想知道很多天体真实的颜色就必须把消光的成分考虑进去。但是这个发红和红移的发红不是一回事，这个光谱本身没有移动，仅仅是光线里蓝色部分被削弱了，而红光部分没怎么减弱，所以才会出现这个问题，所以说这个并不是红移，仅仅是颜色看起来发红。 还有一个可能人们会对宇宙大爆炸有疑问的地方，那就是为什么宇宙膨胀，那我们周围的天体都没膨胀，我们自己也没膨胀。如果说都在一起等比例膨胀的话，那我们应该没法察觉才对。那事实的确如此，假设大伙都在等比例膨胀那就等于没膨胀。那首先就要理解一下这个哈勃常数，那就是说距离和远离我们的速度是成正比的，就膨胀速度而言，我们人与人之间这点距离要放到宇宙尺度面前那简直就是可以忽略不计的。想想看，两个人之间这点速度几乎为零，那小的根本没办法计算，那膨胀速度如此之小，很轻松就被其他力给打败了，比如说万有引力就能轻松搞定这事，还比如电磁力，我们身体结构什么的都是电磁力在管，这根本就不受影响。引力看上去虽然很弱小，但是它也能轻松管控星系团之内的事，在星系团之内的尺度它是不会膨胀的。我们的银河系和仙女星系相互吸引，还在相互靠近，在这200万光年的尺度内，引力还是占据了决定性的作用，这膨胀就显示不出来了。在更大尺度之内，星系团以上的那种尺度，这还是能看出来膨胀的，所以它这个作用其实非常微弱，随便什么力就能击败它，所以我们自身细胞之间啊啥的是完全感受不到膨胀的存在。 以上就是几个常见的问题，比如什么宇宙学红移是不是多普勒效应啊，还是被拉长了啊，很多人搞不清楚，还有就是既然宇宙会膨胀那我们为什么没膨胀，这也是个问题。包括很多科普书自己都没搞清楚，其实这也不奇怪，毕竟宇宙大爆炸还有很多谜团没有解开，而且这东西要理解起来也比较深奥。现在一般都是从微波背景辐射里挖信息，前两年欧洲人发射了普朗克探测器，这就是为了仔细检测微波背景辐射里微小的起伏，这个普朗克探测器比那个威尔金森探测器更加精确，那张图就被画出来了。根据普朗克探测器的数据，宇宙的年龄大概被锁定在138亿年左右，那就比原来的数据大了1亿年，这其实是在误差范围之内，毕竟2%的数据误差范围嘛，稍微大一点点问题也不大。这暗能量的数量稍微下降了一点，大概不到7成，具体是68.3%，暗物质比例就稍微有点提高了，有26.8%，普通物质就占了4.9%，也稍微提高了一些。反正暗能量有下降，其他部分就在上涨，这样一来测算出宇宙膨胀速度就要比以前要低，原来是70，现在是67，差了这么一点点。 那这两次观测数据异常，这差异说明了什么呢？有人就认为这恰好说明了哈勃常数它不是常数，是会变的，但是也有人不赞同这个观点，这好像变得也太快了点，哈勃常数也没这么容易就变，我们还看不出它是个变量。就算它要变那也是在几十亿年这种时间尺度下去变，我们这几年能变个啥出来。因为测量哈勃常数本身就很难，这属于一个比较难测的物理量了。在物理上还有比较难测的物理量就是万有引力常数，因为你没办法去规避所有的干扰，所有东西都在干扰你的测量，引力是没有办法屏蔽的，啥都能给穿透，因此测量出来的精度就比别的量要差。不过微波背景辐射顶多也就是把探测时间推到了宇宙诞生后38万年，要想再往前推是不可能了，因为这是我们电磁波观测的极限。在此之前电磁波是无往不利的，结果现在就吃瘪了。那有没有啥东西可以不受极高温影响，可以畅通无阻呢？肯定有啊，这就是中微子。假如说我们能解码中微子，那我们就可以检测到宇宙大爆炸后几秒钟之内发生了什么事。我们前面也说过，要探测中微子好像很麻烦，这东西要检测起来就非常麻烦。目前这方面还没什么突破，除了中微子能有极强的穿透性之外，还有一种东西穿透性也极强，那就是引力波。 没什么东西能挡住引力波，因为引力本身就是时空扭曲，那么引力波就是时空扭曲引起的涟漪，就是时空扭曲引起的一个个水花。爱因斯坦最早预言了引力波的存在，因为引力波就涉及到引力量子化的问题，假设引力波是存在的，那引力就必定可以量子化。电磁波就是可以量子化的，电磁波可以量子化之后我们就可以得到光子，那引力能量子化后就必定能得到引力子，那么四种基本力就可以建立统一的模型，整个宇宙的大统一理论就有希望去建立，不过这也仅仅是有希望而已，那要走出这条路还是很复杂的，爱因斯坦后半辈子就努力搞这事也没能搞定。像霍金他们计算霍金辐射啊黑洞啊黑洞熵啊什么的，用的都是弯曲时空量子场论，因为对于他们来说引力是没有办法量子化的。那我现在要算东西，我就退而求其次，就先不把引力量子化，引力你继续是时空弯曲，剩下其他东西都是量子化的，这就是叫弯曲时空量子场论，就是从这下手的。现在好多理论，比如最热门的弦论就是一个大统一理论，基本就是奔着这个目标去了，这理论啥都给你搞定。还有就是圈量子理论，这圈量子理论就是要把引力的问题给解决，它就是要把引力量子化。那有啥好处呢？这就比弦论稍微简单点，没弦论那么多维度，它只要四个维度就可以了。但是它仅仅只能走到引力量子化这一步，它不像弦论啥都给包了，是个大统一理论，这个圈量子理论不是这样的，这东西到现在都还没个定论，弦论这东西很玄乎嘛。 如果能在宇宙里实实在在检测到引力波那就再好不过了，所以很多人都在惦记着检测引力波，科学家们就在太空观测的时候发现了脉冲双星，这两个脉冲星相互围绕旋转。脉冲星都是都是中子星，那密度是非常高的，直径在十公里上下，密度是大的惊人。那两颗脉冲星相互围绕旋转，它们直径又小，它们就可以靠地非常近，靠的近的话引力就会非常强，要想互相不撞到一起就得旋转速度非常快，所以脉冲双星就转的非常快。按照引力波理论，这俩脉冲星靠这么近又转这么快，那应该有引力波辐射出来，所以它们俩互相围绕旋转的话能量就有损失，这么算起来它们就会越转越慢，随着越转越慢它们就会越来越靠近，最后就会撞到一起。目前检测下来，脉冲双星的变化规律和引力波的理论符合的很不错，就说如果脉冲双星一直在转的话它就会不断辐射出引力能量，然后它自己的旋转能量就会减少，它们之间就会慢慢靠近，这个规律我们用引力波去算符合的非常好，这是一个重要的旁证而不是一个直接的证据。如果能直接观测到引力波的话那就太好了，因此有很多国家的实验室都想检测引力波，但是这么多年过去了，基本啥都没测到。到底是灵敏度不够还是什么其他的原因呢？或者说这引力波根本就不存在而是爱因斯坦算错了？还是什么其他的原因？这就麻烦了，理论物理界这会又出大事了。 脉冲双星 那这个引力波到底要怎么探测呢？其实说复杂也复杂，说简单也简单，这只是一个几何学的问题。欲知后事如何，请看下回分解。
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