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第8章 膨胀的宇宙1(第3页)

例如,正如我们看到的,我们星系中的其他恒星形成了横贯夜空的叫做银河系的光带。

但是如果看得更远,星系数目则或多或少显得是相同的。

所以假定我们在比星系间距离更大的尺度下来观察,而不管在小尺度下的差异,则宇宙确实在所有的方向看起来是大致一样的。

在很长的时间里,这为弗里德曼的假设——作为实际宇宙的粗糙近似提供了充分的理由。

但是,近世出现的一桩幸运事件揭示了以下事实,弗里德曼假设实际上异常准确地描述了我们的宇宙。

1965年,美国新泽西州贝尔电话实验室的两位美国物理学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在检测一个非常灵敏的微波探测器。

(微波正如光波,但是它的波长大约为1厘米。

)他们的探测器收到了比预想的还要大的噪声。

彭齐亚斯和威尔逊为此而忧虑,这噪声不像是从任何特别的方向来的。

首先他们在探测器上发现了鸟粪并检查了其他可能的故障,但很快就排除了这些可能性。

他们知道,当探测器倾斜地指向天空时,从大气层里来的任何噪声都应该比原先垂直指向时更强,因为从接近地平线方向接收比起直接从头顶方向接收,光线要穿过多得多的大气。

然而,不管探测器朝什么方向,这额外的噪声都是一样的,所以它一定是从大气层以外来的。

并且,它在白天、夜晚、整年都是一样,尽管地球围绕着自己的轴自转或围绕太阳公转。

这表明,这辐射必须来自太阳系以外,甚至星系之外,否则,当地球的运动使探测器指向不同方向时,噪声就会变化。

事实上,我们知道这辐射必须穿过我们可观察到的宇宙的大部分才行进至此,并且由于它在不同方向上都一样,如果只在大尺度下,这宇宙也必须是各向同性的。

现在我们知道,不管我们朝什么方向看,这噪声的变化总是非常微小:这样,彭齐亚斯和威尔逊无意中非常精确地证实了弗里德曼的第一个假设。

然而,由于宇宙并非在每一个方向上,而是在大尺度的平均上完全相同,所以微波也不可能在每一个方向上完全相同。

在不同的方向之间必须有一些小变化。

1992年宇宙背景探险者,或称为COBE,首次把它们检测到,其幅度大约为十万分之一。

尽管这些变化很小,但是正如我们将在第八章解释的,它们非常重要。

大约与彭齐亚斯和威尔逊在研究探测器中的噪声的同时,在附近的普林斯顿大学的两位美国物理学家,罗伯特·狄克和詹姆斯·皮帕尔斯也对微波感兴趣。

他们正在研究乔治·伽莫夫(曾为亚历山大·弗里德曼的学生)的一个见解:早期的宇宙一定是非常密集的白热的。

狄克和皮帕尔斯认为,我们应该仍然能看到早期宇宙的白热,这是因为从它的非常远的部分来的光,刚好现在才到达我们这里。

然而,宇宙的膨胀把光红移得如此厉害,现在只能作为微波辐射被我们观察到。

正当狄克和皮帕尔斯准备寻找这辐射时,彭齐亚斯和威尔逊听到了他们的工作,并且意识到,他们自己已经找到了它。

为此,彭齐亚斯和威尔逊被授予1978年的诺贝尔奖(狄克和皮帕尔斯看来有点难过,更别提伽莫夫了)。

现在初看起来,关于宇宙在任何方向看起来都一样的所有证据似乎暗示,我们在宇宙中的位置有点特殊。

特别是,如果我们看到所有其他的星系都远离我们而去,那似乎我们必须在宇宙的中心。

然而,还存在另外的解释:从任何其他星系上看宇宙,在任何方向上也都一样。

正如我们已经看到的,这是弗里德曼的第二个假设。

我们没有任何科学的证据去相信或反驳这个假设。

我们之所以相信它只是基于谦虚:因为如果宇宙只在围绕我们的所有方向显得相同,而在围绕宇宙的其他点却并非如此,则是非常令人惊奇的!

在弗里德曼模型中,所有的星系都相互直接离开。

这种情形很像一个画上好多斑点的气球被逐渐吹胀。

当气球膨胀时,任何两个斑点之间的距离加大,但是没有一个斑点可认为是膨胀的中心。

此外,斑点相离得越远,则它们相互离开得越快。

类似地,在弗里德曼的模型中,任何两个星系相互离开的速度和它们之间的距离成正比。

所以人们预言,星系的红移应与离开我们的距离成正比,这正是哈勃发现的。

尽管他的模型取得了成功并预言了哈勃的观测,但是直到1935年,为了响应哈勃的宇宙均匀膨胀的发现,美国物理学家霍瓦德·罗伯逊和英国数学家阿瑟·瓦尔克发现了类似的模型后,弗里德曼的工作才在西方被普遍知道。

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