宇 宙 一 致 性 原 理 : 这是最基本的假设, 基本得很多书已把它当成太理所当然而不被列出。我们假设人类所知的物理定律, 亦普遍适用于宇宙任何一个角落, 没有了这个假设便万事皆休, 什么天文物理便会失去一切意义。遥远恒星和星系的研究结果仍然支持这个假设。
均 匀 性 原 理 : 这个原理假设宇宙的物质是均匀地散布在整个宇宙内。若我们只看宇宙局部地方, 这个假设当然不对, 例如在太阳系内大部分的物质集中在太阳身上; 银河系内大部分的恒星集中在银盘上。那么究竟这个假设是不是完全错误呢?
银 河 系 是 本 星 系 团 其中一员, 这个星系集团包括了M31 仙女座大星系、 大麦哲伦云和小麦哲伦云等星系。一个典型的星系团大小约一百万秒差距, 包含大约1000 个星系。众多星系团又再组成一个横跨1 亿秒差距、 包含100 个星系团的 超 星 系 团 。本星系团和例如室女座星系团等附近星系团, 便组成了称为 本 超 星 系 团 的 超 星 系 团 。
从更大尺度来看, 最近的星系研究显示, 星系分布有天文学家称为「 长城」 和「 空洞」 的大尺度结构。难道我们的宇宙并不是均匀的?虽然最新的研究结果皆显示了宇宙大尺度结构的存在, 但我们的答案依然是「 不」 , 我们仍怀疑宇宙物质的分布在更大更大尺度的层面可能是均匀的。无论如何, 均匀性原理大大简化了我们的宇宙模型, 让我们无须迷失于复杂的运算中。
各 向 同 性 原 理 : 这个原理假设无论我们向宇宙哪一个方向观察, 所看到的皆会差不多。各向同性和均匀性不同, 宇宙可以是均匀但不是各向同性, 或各向同性但不是均匀的。
鸣 谢﹕ STScI. |
有很多人用了简单的方法回答这个问题, 但可惜绝大部分是错的。正确的解答应该是由于光线需要时间到达地球, 当我们望向宇宙深处, 我们其实不单止在看一些遥远的物体, 我们其实正同时窥伺着宇宙的过去, 结果只要超越某一距离仍看不见星星, 那么更远之处亦不可能会有, 因为在这之前宇宙中还末有恒星诞生, 这样便能解决奥伯斯佯谬。问题是我们怎么知道宇宙的年龄是有限的呢?
我们通常用z 来表示红移的幅度:
例如某星系的某一谱线波长为515 纳米, 但在地球上, 同一谱线的波长却为500 纳米, 那么波长的变化为15 纳米, 原本波长为500 纳米, 所以红移量z 等于0.03 。
红移是由多普勒效应造成的, 所以星系红移越大, 表示它正以更高的速度远离我们。若红移z 比1 少得多﹐ 则我们便可用以下公式找出星系的退行速度v :
公 式 中 的 c 为 光 速 , 即 约 3x108 米 / 秒 。把数值代入, 便可以得出以上例子的星系退行速度为每秒九千公里。
假若星系运动的方向是随机的, 那么应该有一半的星系正在远离我们, 另一半则接近我们, 但结果实在出人意表, 哈勃发现不单绝大部分星系正在远离我们, 而且它们的退行速度和与地球的距离成正比, 这个关系可以下式表示:
公式中的H 是一个比例常数, 我们称之为 哈 勃 常 数 , 而 这 个 定 律 称 为 哈 勃 定 律 。简单来说, 这个定律说星系离我们越远, 远离我们的速度越高。哈勃常数可能是最难以量度的天文参数, 不同的天文学家用不同的方法, 得出不同的结果, 计算出的数值由50 公里/ 秒/ 百万秒差距至100 公里/ 秒/ 百万秒差距不等, 现在最被广泛接受的数值约为60 公里/ 秒/ 百万秒差距。假若我们可以准确得出哈勃常数, 那么我们便可以轻易利用它计算出星系的距离。例如上例中的星系, 如果哈勃常数是60 的话, 它便距离地球150 百万秒差距。
某程度上来说, 宇宙的演化有如烘葡萄干面包, 随着面包不断胀大, 葡萄干的距离亦不断增加。假若你是其中一颗葡萄干上的蚂蚁, 你会看见所有葡萄干皆离你越来越远, 同时, 离你越远的葡萄干, 离开你的速度亦越快。
大爆炸理论亦解释了宇宙红移。一个遥远的星系, 由于它的光线需要更长的时间才能到达地球, 在光线进行的时间里, 宇宙的膨胀会把光子的波长拉长。
利用大爆炸理论亦可以估算宇宙的年龄, 由于我们知道星系的退行速度, 只要我们来一个倒镜, 计算所有星系回到原点所需的时间, 便可得出宇宙的年龄, 结果是大约有150 亿年( 1.5x1010 年 ) 。
宇宙的质量密度决定了宇宙的命运, 假若质量密度大过某一称为 临 界 密 度 的数值, 引力便足以使宇宙停止膨胀, 并令它重新收缩, 这称为 封 闭 宇 宙 ; 若质量密度比临界值少, 宇宙便会无休止地膨胀, 我们称之为 开 放 宇 宙 ; 最后若密度和临界值一样, 便会得出一个 平 坦 而 开 放 的 宇 宙 。
封闭宇宙就好像球体的表面, 大小有限但无边。开放宇宙是无限大的, 而它的几何特性和双曲面相似。宇宙的几何特性会影响三角形的内角和, 但这牵涉到非欧几理得几何, 篇幅所限, 我们不能作深入探讨。
要准确量度宇宙的质量密度非常困难, 最大的障碍来自宇宙的 黑 暗 物 质 , 这些物质眼不能见, 我们仍无法准确估计它们的数量, 引 力 透 镜 效 应 虽然对估计宇宙空间物质的质量有点帮助, 但仍不足够。另一个大难题是究竟中微子有没有质量?由于宇宙有大量中微子, 即使每颗中微子的重量微不足道, 但累积起来的数目却绝不能小觑。
总括来说, 虽然最新的研究表示我们可能在一个开放的宇宙内﹐ 但我们仍不能肯定﹐ 天文学家仍需努力。
联系客服