红移·哈勃关系·大爆炸？

迎面驶来的火车汽笛声变尖，远去的汽笛声变粗，这差不多是每个人都有过的经验。用科学的语言讲，这叫多普勒效应（Doppler effect）。如果源趋近，则观测到源发射的信号的波长变短，频率变高，这叫蓝移（blue shift）；如果源远去，或叫退去，则观测到源发射的信号的波长变长，频率变低，这叫红移（redshift）。

反过来，测定蓝移、红移的量值，就可以估计源趋近、退行（recession）的速度。

在天文学中，确定遥远星系所采用的最重要的方法就是，测定星光的谱线移动值，具体说来是测定钙元素的两条吸收谱线 H 和 K 的移动。

观测结果出乎意料，仅仅发现最近的几个星系有蓝移，而绝大多数星系都有红移。当然，这其中隐含了一个重要假设：多普勒效应仍然适用于大尺度对象。这是一个无法仔细验证的假设。不过，现在还没有理由否定这一假设。

1914 年，人们就发现 13 个最亮的星系有红移。哈勃（EdwinHubble）大

约在 1920 年利用威尔逊山（Mt. Wilson）天文台 2.5 米反射式望远镜进一

步观测多普勒红移现象。到了 1925 年，已发现 45 个星系有红移。 1928 年美国物理学家罗伯特逊（H.P.Robertson）发现了更奇特的事实：越远处的星系，红移值越大。

红移对应于远处星系的退行，红移值越大，退行速度越大。这导致 1933 年英国天文学家爱丁顿（A. Eddington）出版题为《膨胀的宇宙》（The Expanding Universc）一书。

科学家们发现，红移值与星系离我们的距离成正比，满足线性关系。应当说明的是，只有在星系团的尺度上，才会观测到这种系统性红移，在星系之内小尺度上不存在普遍的星体红移现象。遥远星系的退行准确说应当是“星系互退行”，因为它们不仅仅是相对于我们太阳系在退行，从宇宙中的别处看，星系也在互相退行，即彼此分开。

观测数据表明，星系退行速度随其距离增加而增加，而且满足简单线性的哈勃定律：

V＝HD，

其中 V 表示退行速度，D 表示距离，H 为著名的哈勃常数。哈勃定律被称为 20 世纪最伟大的科学发现之一。哈勃常数的精确值一直有争议，大致在下面的范围：

H＝77±14［km］［s］-1［Mpc］-1

＝77±14 公里/（秒·百万秒差距）。

用 C 表示光速，δ表示红移值，可以得到下面的公式：

D＝ Cδ .

上式表明，只要知道红移δ，就可求出距离 D. 就这么简单吗？对，就这样。

据此科学家测算出，室女座（Virgo）的一个星系退行速度为：180km/s，距我们 19Mpc；巨蟹座（Cancer）的一个星系退行速度 4800kTn/s，距我们70Mpc；双子座（Gemini）的一个星系退行速度为 23 300km/s，距我们

290Mpc；长蛇座（Hydra）的一个星系退行速度竟达 60 600km/s，距我们

700Mpc.

发现问题没有？最后一个数值竟然远远超过了光速！实际上不能这样简单地计算，当速度很高时要考虑相对论性效应。

上面提到的哈勃关系 V＝HD 是当今天文学中最重要的关系，哈勃常数 H 也是最重要的常数。这之后的几乎所有宇宙模型都与此有关。用哈勃常数的倒数 1/H 可确定星系的年龄，得出星系年龄以及宇宙的年龄大约在 1.78× 1010 年的数量级，通常说宇宙有 150 亿年历史就是由此得来的。今日已被普遍接受的大爆炸理论（big bang theory）也把哈勃关系作为一个论据，它是勒梅特（G. Lemaitre）、盖莫夫（G. Gamow）、赫尔曼（R.Herman）等人逐渐发展完善的一种令人费解、但又只好如此的理论。当然，大爆炸理论还有 COBE 卫星关于宇宙背景辐射等其它观测证据， COBE 是宇宙背景探测器（cosmic back-ground explorer）的简称。霍金（S. Hawking）根据大爆炸理论，大胆地思索大爆炸后最初一万亿亿亿亿分之一秒时刻发生的事件！

现在的问题是，哈勃线性关系可靠吗？红移是否一定意味着星系退行？从现有观测资料看，此线性关系是由天文观测数据统计出来的，比较可

靠。但是这并不意味着从更大尺度上看也如此。哈威特（M. Harwit）说过： “我们假定红移确实是标志着某种真正的膨胀。这一假定已经在宇宙学中牢固地确立下来，其主要原因是除此一招别无他法。”

第二个问题是，哈勃常数 H 真的是常数吗吗？即使是常数，这个常数是否也可以稍稍变化呢？

遗憾的是，这超出了现有的科学。

任何一个人都会提出这样的一系列问题： 1）宇宙的形状怎样？2）它有多大？是否有边界？3）它的质量是多少？4）它存在了多久？5）它的化学组成是什么？

现代科学是可以说些什么的，但只能是局部性解答问题。

现在我们利用膨胀模型看看宇宙中物质的创生速率θ.考虑一个半径为γ的球，此球半径以一定的比率不断膨胀：

dr ＝Hr，

其中 t 是时间，H 是哈勃常数。可以推出，球体积的膨胀速率为 4πγ3H.假设膨胀过程中球的密度保持不变，则增加部分的体积就必须用密度为ρ0 的物质来填满，所以半径为γ的球内物质的创生速率为 3πγ■ρ0，这个数再除以球体积，就得到单位体积物质的创生速率为θ＝3H ρ0 ≈ 10-47

克·厘米-3·秒-1。

这个速率有多大？它相当于每 50 亿年、每一升体积内大约有一个氢原子诞生，可以想见，现有的任何仪器都无法测出来！到目前为止，科学家已就宇宙的演化提出了许多可能的模型，如： l）稳恒态模型； 2）爱因斯坦静态模型； 3）德西特（De Sitter）模型； 4）爱丁顿模型； 5）勒梅特模型； 6）弗里德曼（A.Friedman）模型，等等。

现在根据非线性动力学，对于宇宙演化，能否设想一种“浑沌模型”？在这种模型中星系的大尺度运动与其它模型的想象都不同，星系和超星系不是永远相互退行，而是有退有进，几个方向退行，几个方向趋近，还可能有的方向保持不变。这正如动力系统李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）指数所暗示的，在空间不同方向上，有收缩子空间，有发散子空间和守恒子空间。那么，如何解释系统性的红移呢？我们可以说，对于整个宇宙而言，红移仍然是“小尺度”上的“局部性质”，正如星系以下物质以收缩为主而表现为局部性质一般。在更大的尺度上也许有新的现象，有发散、有收缩等等。这样设想的理由是，宇宙本质上是非线性的，空间不是平直的线性空间，我们目前所了解的天文学可能只局限于线性区。超出线性区，什么奇特的事情都可能发生，而我们并不知道。