<size=45><size=45><b>求收藏！</b></size></size> <b>前言：</b>你好{visitor}，如果你喜欢我的作品，可以在评论区打出支持或点亮下方支持吗，十分感谢。 PaperYY 重复率：11%，AIGC率：6.8% GPTZero AIGC率：4% <b>正文：</b>聪明的你想象一下，就想象一辆鸣笛的汽车从你的身边经过，当它靠近时音调就变高，远去时音调就变低。而这，就是多普勒效应，当波源与观察者相对运动时，观测到的频率就会发生变化。 我们不妨再做个假设，假如说一颗恒星正在远离我们，那么它发出的光波长就会被拉长，在光谱中向红色端偏移，而这就是红移；那如果它靠近我们，波长呢就会被压缩，向蓝色端偏移，也就是蓝移。 在1912年到1922年之间，美国的一位天文学家维斯托·斯里弗观测了许多“星云”的光谱，发现这其中绝大多数都发生了红移。而这些“星云”呢，后来被证实了是像银河系一样的星系。那这意味着什么？这意味着绝大多数星系都在远离我们。 1929年，埃德温·哈勃做了一个足以改变人类宇宙观的事情。他研究了24个星系的距离和红移数据，发现了一个规律，星系的红移量与其距离成正比。翻译成每个人能听懂的话就是，越远的星系，远离我们的速度越快。 这个规律后来被称为哈勃定律（注:现在正式名称为哈勃-勒梅特定律）。用数学表达就是，v=H_0×D。其中的v就是星系的退行速度，D是距离，H_0是一个比例常数，被称作哈勃常数。 哈勃当时估算的哈勃常数大约为500 km/s/Mpc（每百万秒差距每秒千米），而我们现代精确测量值呢大约在67到74 km/s/Mpc 之间。这就说明，距离我们每增加一百万秒差距（大约是326万光年），星系远离我们的速度就增加约70 km/s，这用观测证据告诉了我们，宇宙并不是静止的，而是在膨胀。 那哈勃是如何从红移得到速度的呢？我简单作了一个推导。 如果光源以速度v远离我们，那么根据经典多普勒效应，观测到的波长λ_obs与静止波长λ_emit的关系近似为(λ_obs−λ_emit)/λ_emit≈v/光速c。天文学家定义红移z为，z=(λ_obs-λ_emit)/λ_emit。于是对于较小的红移就有z≈v/c。 这就是为什么可以通过测量红移来推算星系的退行速度。哈勃正是利用这个关系，将观测到的红移转化为速度，再与距离对比，发现了正比关系。 到这里，我猜你可能会想，原来这个星系红移不就是多普勒效应嘛。 事情好像并没有我们想的那么简单。 假如说红移仅仅是多普勒效应的话，就会带来两个非常严重的理论矛盾。一个是超光速问题。对于足够远的星系，哈勃定律预测的退行速度会超过光速，这明显与相对论矛盾。另一个是中心问题。如果所有星系都在远离地球，那地球岂不成了宇宙的中心？这与“宇宙在大尺度上是均匀的”这一基本假设是违背的。 所以宇宙学红移在本质上就不是多普勒效应，而是广义相对论导致的时空膨胀效应。 那让我们不妨换一个思维方式。就想象宇宙空间是一块正在被拉伸的橡皮膜，而星系，就像画在膜上的黑点。当膜被拉伸时，黑点之间的距离自然会增大，这并不是因为黑点在膜上动，而是因为膜本身在膨胀。这就是宇宙学红移的本质，光在穿越膨胀的宇宙空间时，波长被空间本身“拉伸”了。 所以地球并不是所谓的中心，从任何一个星系看，其他星系都是在远离；超光速也不是问题，退行速度呢是空间膨胀的速率，并不是星系在空间中运动的速率，所以就不会传递信息，不会违反相对论。 为了更精确地描述宇宙膨胀， 宇宙学家引入了一个概念叫尺度因子a(t)。它描述了宇宙在某个时刻的大小相对于今天的比例，今天a(t_0)=1，过去的宇宙a(t)就小于1。 宇宙学红移z与尺度因子之间有一个关系1+z=a(t_0)/a(t_emit)=1/a(t_emit)。这个公式中红移z告诉了我们在光发出时宇宙比现在小了多少。 那么让我来举个例子 如果z=1，那么就意味着a(t_emit)=1/2，光发出的时候宇宙只有现在的一半的大小； 如果z=2，那么就意味着 a(t_emit)=1/3，光发出的时候宇宙只有现在的三分之一的大小； 宇宙微波背景辐射的红移约z≈1100，意味着它发出时宇宙只有现在的1/1100的大小。 红移不仅仅只是一个在理论上的概念，它还是每个天文学家测量宇宙重要的工具。 宇宙距离阶梯是测量遥远天体距离的一套方法 1.用三角视差法测量近处恒星的距离； 2.用造父变星等“标准烛光”测量更远的星系； 3.用Ia型超新星测量极远距离； 4.用红移距离关系测量最遥远的天体。 所谓标准烛光，就是本身亮度已知的天体。通过比较它的真实亮度和观测到的亮度，就可以算出距离。Ia型超新星呢就是最好的标准烛光之一，它们爆发时的亮度非常的一致，可以在红移z≥1的距离被观测到。 正是通过观测高红移的Ia型超新星，有研究团队发现了一个震惊世界的结论，宇宙不仅在膨胀，而且在加速膨胀。 星系红移的发现，让我们有了探索宇宙更深层奥秘手段。 宇宙微波背景辐射，红移约1100，是宇宙学红移最有力的证据之一；哈勃常数危机就是通过近邻宇宙观测得到的H_0（约73-74）与通过宇宙微波背景辐射得到的H_0（约67-68）存在显著的差异。 <b>结尾：</b>下次当你仰望星空时，不妨想一想，那些遥远星系发出的光，穿越了膨胀的宇宙，波长被一点一点拉长，最终到达你的眼睛。每一束光，都携带着宇宙膨胀的历史信息。 而这，就是星系红移告诉我们的故事。