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科普讲座

宇宙的结构

●梯级分布和各向同性

宇宙是自然科学最大的研究对象,关于宇宙,人类已经有了越来越多的知识。这些知识包含了可能对宇宙进行某种科学解释、建立某种模型所必需的东西;已经让我们能够理性地推断可测范围之内宇宙的起源和不很久远时段内宇宙的未来;已经让我们能够发射地球卫星和为各种不同目的服务的太阳系际探测器;已经让我们能够以科技的方式展开对宇宙间智能生命伙伴的搜寻……

我们现在对宇宙的基本认识是:在相对较小的时空内,宇宙中的物质依次聚集为星体、星系、星系团、超星系团、超超星系团……。宇宙在整体上是均匀的、各向同性的,宇宙没有中心,任何典型星系的观察者所看到的宇宙规律是一样的。

●宇宙在大尺度上是膨胀着的

人们发现天空中有许多云雾状的天体,名之为星云。1924年哈勃把天文望远镜对准仙女座大星云,分辨出构成该星云的单个星体,使河外星系和尘埃云得以区分,并发现仙女座大星云不是银河系中的天体,而是距地球约220万光年之遥的与我们的银河系一样的星系,谓之河外星系。继而他又对河外星云做了更深入细致的研究,发现了许多更为遥远的星系。

1912年始,致力于天体光谱研究的美国天文学家斯莱弗发现,几乎所有河外星系的光谱线都存在着向红端移动的现象。如果按照多普勒效应解释,这就意味着这些星系都在远离地球而去,而且运行速度相当大,比如室女座大星云的运行速度是每秒1000千米。1929年,哈勃考察了斯莱弗的工作,结合自己对河外星系的研究,把运行速度的研究范围扩展到每秒2万公里,提出著名的哈勃定律:星系光谱线的红移量同它们与地球的距离成正比。哈勃的理论被后来的观测进一步证实。也就是说,河外星系的红移是反映宇宙整体性特征的系统性红移--从宇宙中的任何一点都能看到几乎所有的天体都在远离该点而去--宇宙在膨胀。这是一种全方位的无中心膨胀,其情形类似于膨胀的气球上各点之间相互远离。

●宇宙的时空是柔性的

在牛顿时空观中,空间是三维平直的,是绝对均匀、各向同性的;时间是单向一维的,像河流一样匀速地流淌着。时间和空间与物质无关,它们就像是盛装物质的容器,亘古存在,永远不变。

爱因斯坦1905年和1915年先后提出狭义相对论和广义相对论,狭义相对论初步建立了时间、空间的统一性,以及时间空间与物质运动的联系。在狭义相对论中,时空度规随物质的运动而变化。

广义相对论统一了引力质量和惯性质量,引力场等效于具有相当加速度的参照系。他还揭示了四维时空与物质的统一关系,指出空间一时间不能离开物质而独立存在,物质的质量及其分布状况决定时空的结构。反过来看,引力场是空间几何弯曲的表现,空间的曲率体现引力场的强度。

有人依据爱因斯坦的理论推论,在极强引力场,比如黑洞中,空间收缩为1维的,时间扩张为3维的;而超强理论又认为在极微观高能的世界中时空可能是11维的。

爱因斯坦指出大引力场周围可测到空间弯曲,并预言在日全食的时候观测太阳背景处的恒星位置可以证实这种现象。1919年爱丁顿率队赴非洲观测日全食验证了爱因斯坦关于光线在引力场中发生弯曲的预言,也就是证实了爱因斯坦关于物质与时空结构关系的理论。