科学家是怎样发现宇宙在膨胀的

jeff963

问：科学家是怎样发现宇宙在膨胀的？答：红移现象！天文学家观察发现，来自宇宙中遥远天体的光发生了红移（光的频率向红色端移动），这就告诉了我们，这些天体都在远离地球。无论你从什么方向看去，它都是一样的：所有遥远的星系都在远离地球而去。这种现象只有一种解释，那就是我们的宇宙正在膨胀。

天文学家利用多普勒频移测量物体相对于地球的运动。当你听到火车到来的时候，它的哨声会以不同的频率被我们听到。以相同的方式，光也具有多普勒频移，由此其频率根据发射物体的运动而移动。
此外，通过测量地球到星系的距离，人们发现退行的速度与星系离地球的距离成正比。第一个发现它的是爱德文·哈勃，后来这被称为著名的哈勃定律。

埃德温·哈勃的肖像，图：Johan Hagemeyer (1884-1962)
哈勃发现宇宙正在膨胀的证据
埃德温·哈勃突破性发现的两个关键点是在20世纪10年代由其他人为此铺垫的，换言之，他是站在了巨人的肩膀上。
第一个关键点是亨丽爱塔·斯万·勒维特（Henrietta Leavitt）发现了造父变星的周光关系，这个可以让天文学家计算出变星离地球的距离。 哈勃在他1924年的发现中已经利用了这一知识，包含仙女座星系中的变星，距地球超过90万光年 - 远远超出了我们自己的星系 - 这在当时对每个人来说都是一个惊喜。 凭借这种比例和其他工具，哈勃已经发现并测量了其他23个星系，距离我们大约2000万光年。
第二个关键是维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）的工作，他在哈勃的仙女座发现之前对螺旋星云进行了研究。这些物体发出的光可以在光谱上分裂成它的组成颜色。然后，根据光源中的元素，谱线以特定图案出现在该光谱中。然而，如果光源正在移动，那么这些谱线就会向光谱的红色一段转移。通过分析星云发出的光，发现他们几乎都在离开地球。维斯托·斯里弗意识到，谱线向红端的转移意味着天体正在迅速远离观察者。但是他没有办法测量这些红移天体的距离。
哈勃的精彩观测是：星系的红移与星系和地球的距离成正比。这意味着距离地球更远地方的天体正在加速离开我们。换句话说，宇宙一定在膨胀。他在1929年宣布了自己的发现。距离与红移的比例是每光年距离的速度为170公里/秒，现在称为哈勃常数。这些数字并不完全正确，测量技术和技术的改进改变了哈勃早期的所有数据。但不是基本原则。他一直致力于解决这个问题，并在整个职业生涯中收集数据。
有人认为哈勃的发现是本世纪天文学中最重要的事件。 从400年前的哥白尼开始，它改变了我们对世界的看法。 他的结果表明，宇宙正在膨胀，这支持了1927年乔治·勒梅特（Georges LeMaitre）提出的理论。一个正在膨胀的宇宙，就像大爆炸的后果，一定曾经发生过“未爆炸”，一个在时间和空间上的单一质点。

上图右侧为遥远的星系在可见光波段的光谱，与图左侧太阳的光谱比较，可以看见谱线朝红色的方向移动，即波长增加（频率降低），图：Georg Wiora (Dr. Schorsch) created this image from the original JPG. Derivative work:Kes47 (talk)
宇宙膨胀的发现-扩展篇
与此同时，研究爱因斯坦引力理论的其他物理学家和数学家发现，这些方程有一些描述膨胀宇宙的解。在这些解决方案中，来自遥远物体的光在穿过膨胀的宇宙时会被红移。红移会随着距离的增加而增加。
1929年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在加利福尼亚州帕萨迪纳的卡内基天文台工作时，测量了许多遥远星系的红移。他还通过测量每个星系中的一类称为仙王座的可变恒星的表观亮度来测量它们的相对距离。当他绘制出红移与相对距离的关系图时，他发现远处星系的红移随距离线性而增加。这个观察的唯一解释是宇宙正在膨胀。
一旦科学家们了解到宇宙正在膨胀，他们立刻意识到，在过去，宇宙会变得更小。在过去的某个时刻，整个宇宙都是一个单一的点。这一点，后来被称为大爆炸，是宇宙的开端，正如我们今天所理解的宇宙那样。
膨胀的宇宙在时间和空间上都是有限的。正如牛顿和爱因斯坦的方程所言那样，宇宙没有崩溃的原因在于它从诞生的那一刻起就一直在膨胀。宇宙处于不断变化的状态。膨胀的宇宙是基于现代物理学的新概念，它消除了从古代到20世纪初困扰天文学家的悖论。

从大爆炸形成的宇宙演化图解（左）。在这幅图中宇宙以二维呈现，第三维度是时间，向右是时间流动的方向。图：CMB_Timeline75.jpg: created ，by NASA derivative work: 2thuriel (talk)
膨胀宇宙的性质
宇宙膨胀方程有三种可能的解，每一种都预示着整个宇宙不同的最终命运。通过测量宇宙相对于宇宙所包含的物质的膨胀速度，可以确定最终将降临宇宙的命运。
宇宙的膨胀有三种可能类型，分别称为开放的、扁平的和封闭的宇宙。如果宇宙是开放的，它将永远膨胀。如果宇宙是平的，它也会永远膨胀，但是在无限长的时间之后，膨胀速率会减慢到零。如果宇宙是封闭的，它最终将停止膨胀并重新开始收缩，可能导致另一个大爆炸。在所有三种情况下，膨胀都会减慢，导致这种减速的力就是重力（万有引力）。
让我们以一个简单的比喻来理解这三种宇宙的形态，首先我们要考虑从地球表面发射的一艘宇宙飞船。如果宇宙飞船没有足够的速度来逃离地球的引力，它最终会回落到地球。这类似于一个封闭的宇宙。如果宇宙飞船被给予足够的速度，使得它只有足够的能量逃逸，那么在远离地球的无穷远处，它将停下来（这是平坦的宇宙）。最后，如果发射的船具有足够的能量来逃脱，它将始终具有一定的速度，即使它是无限远的距离（这就是开放的宇宙）。

三种不同类型的宇宙，图：Sloan Digital Sky Survey

参考资料

1.WJ百科-英文版（Expansion of the universe）

2.Hubble finds proof that the universe is expanding

3.Is there definitive evidence for an expanding universe?

4.The Expanding Universe - Sloan Digital Sky Survey

5.How is it proved that the Universe is expanding? (Intermediate)
文章作者：零度星系（天文在线）
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编辑用时：2018年10月3日-2018年10月4日（花费时长：约1个半小时）
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最后更新：2018年12月30日星期日

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本文选自：今日头条

wwwchinese

不能说宇宙在膨胀，只能说宇宙里面的星系在膨胀

lgy_103

宇宙很大，大的连时间都觉得很渺小，你确定发现的是宇宙膨胀的证据么？

ASUKI

爱因斯坦唯一一个上帝视角[灵光一闪]

uqgtvoqjar

我不相信宇宙在膨胀。