时间简史——从大爆炸到黑洞006.doc

第三章膨胀的宇宙

如果在一个清澈的、无月亮的夜晚仰望星空，能看到的最亮的星体最可能是金星、

火星、木星和土星这几颗行星，还有巨大数目的类似太阳、但离开我们远得多的恒星。

事实上，当地球绕着太阳公转时，某些固定的恒星相互之间的位置确实起了非常微小的

变化——它们不是真正固定不动的2这是因为它们距离我们相对靠近一些。当地球绕着太

阳公转时，相对于更远处的恒星的背景，我们从不同的位置观测它们。这是幸运的，因

为它使我们能直接测量这些恒星离开我们的距离，它们离我们越近，就显得移动得越多。

最近的恒星叫做普罗希马半人马座，它离我们大约4光年那么远（从它发出的光大约花4

年才能到达地球），也就是大约23万亿英哩的距离。大部分其他可用肉眼看到的恒星离

开我们的距离均在几百光年之内。与之相比，我们太阳仅仅在8光分那么远！可见的恒星

散布在整个夜空，但是特别集中在一条称为银河的带上。远在公元1750年，就有些天文

学家建议，如果大部分可见的恒星处在一个单独的碟状的结构中，则银河的外观可以得

到解释。碟状结构的一个例子，便是今天我们叫做螺旋星系的东西。只有在几十年之后，

天文学家威廉·赫歇尔爵士才非常精心地对大量的恒星的位置和距离进行编目分类，从

而证实了自己的观念。即便如此，这个思想在本世纪初才完全被人们接受。

1924年，我们现代的宇宙图象才被奠定。那是因为美国天文学家埃得温·哈勃证明

了，我们的星系不是唯一的星系。事实上，还存在许多其他的星系，在它们之间是巨大

的空虚的太空。为了证明这些，他必须确定这些星系的距离。这些星系是如此之遥远，

不像邻近的恒星那样，它们确实显得是固定不动的。所以哈勃被迫用间接的手段去测量

这些距离。众所周知，恒星的表观亮度决定于两个因素：多少光被辐射出来（它的绝对

星等）以及它离我们多远。对于近处的恒星，我们可以测量其表观亮度和距离，这样我

们可以算出它的绝对亮度。相反，如果我们知道其他星系中恒星的绝对亮度，我们可用

测量它们的表观亮度的方法来算出它们的距离。哈勃注意到，当某些类型的恒星近到足

够能被我们测量时，它们有相同的绝对光度；所以他提出，如果我们在其他星系找出这

样的恒星，我们可以假定它们有同样的绝对光度——这样就可计算出那个星系的距离。

如果我们能对同一星系中的许多恒星这样做，并且计算结果总是给出相同的距离，则我

们对自己的估计就会有相当的信赖度。

埃得温·哈勃用上述方法算出了九个不同星系的距离。现在我们知道，我们的星系

只是用现代望远镜可以看到的几千亿个星系中的一个，每个星系本身都包含有几千亿颗

恒星。图3.1所示的便是一个螺旋星系的图，从生活在其他星系中的人来看我们的星系，

想必也是类似这个样子。我们生活在一个宽约为10万光年并慢慢旋转着的星系中；在它

的螺旋臂上的恒星绕着它的中心公转一圈大约花几亿年。我们的太阳只不过是一个平常

的、平均大小的、黄色的恒星，它靠近在一个螺旋臂的内边缘。我们离开亚里士多德和

托勒密的观念肯定是相当遥远了，那时我们认为地球是宇宙的中心！

图3.1

恒星离开我们是如此之远，以致使我们只能看到极小的光点，而看不到它们的大小

和形状。这样怎么能区分不同的恒星种类呢？对于绝大多数的恒星，只有一个特征可供

观测——光的颜色。牛顿发现，如果太阳光通过一个称为棱镜的三角形状的玻璃块，就

会被分解成像彩虹一样的分颜色（它的光谱）。将一个望远镜聚焦在一个单独的恒星或

星系上，人们就可类似地观察到从这恒星或星系来的光谱线。不同的恒星具有不同的光

谱，但是不同颜色的相对亮度总是刚好和一个红热的物体发出的光谱完全一致〃实际

上，从一个不透明的灼热的物体发出的光，有一个只依赖于它的温度的特征光谱——热

谱。这意味着可以从恒星的光谱得知它的温度々并且，我们发现，某些非常特定的颜

色在恒星光谱里找不到，这些失去的谱线可以因不同的恒星而异。既然我们知道，每一

化学元素都有非常独特的吸收光谱线族，将它们和恒星光谱中失去的谱线相比较，我们

就可以准确地确定恒星大气中存在什么元素。

在20年代天文学家开始观察其他星系中的恒星光谱时，他们发现了最奇异的现象：

它们和我们的银河系一样具有吸收的特征线族，只是所有这些线族都向光谱的红端移动

了同样相对的量。为了理解这个含意，我们必须先理解多普勒效应。我们已经知道，可

见光即是电磁场的起伏或波动，其频率（或每秒的振动数）高达4到7百万亿次的振动。

对不同频率的光，人的眼睛看起来为不同颜色，最低的频率出现在光谱的红端，而最高

频率在蓝端。想像在离开我们一个固定的距离处有一光源——例如恒星——以固定的频

率发出光波，显然我们接受到的波频率和发出时的频率一样（星系的引力场没有足够强

到对它有明显的效应）。现在假定这恒星光源开始向我们运动，当光源发出第二个波峰

时，它离开我