连载科普-膨胀与引力

要想了解膨胀,首先还需要先了解光。

如果你高中学过化学的话,那么你一定知道电子和电子轨道,不同于我们的行星被限定在固定的轨道上运动,电子可以从一个轨道转换到另一个轨道,而达成这的条件:吸收或者释放能量。

那么,能量从哪里来呢?

光。电子通过吸收释放光来实现轨道的跃迁。


电子跃迁

电子在特定的光射线下,才能吸收释放能量,实现从一个轨道到另一个轨道,如果能量不够,它将待在原来的轨道,如果能量过高,它甚至能逃逸原子。

爱因斯坦因为对这的研究获得了他人生唯一的一次诺贝尔物理学奖。

这就是著名的光电效应:金属只有在“恰当的”光照射下才能放出电子。

几十年来,科学家们已经知道从一个轨道跳跃到另外一个轨道所需要的能量,以及需要的光源,根据这些,我们推断出恒星行星的大气成分。

那么,由此,原子吸收了哪些光,只需要看看光缺少了哪些波长就可以了。科学家们制造了光谱,通过它就能知道你和光源之间有哪些原子了。

意外的是,在遥远宇宙传来的光线中,所有的颜色都出现了“红移”。形象的解释:想象一根弦,被拉紧时音调变高。而在宇宙被拉紧时,光线的波长也增加了,这也许能让你理解为什么光线红移(红光在可见光中波长较长)。


光线红移与蓝移现象

从越远的传来的光,红移也就越厉害。蓝边绿,绿变黄,黄变红,甚至变成微波……

通过从远处传来的光在地球上看到的颜色与原本颜色的差别,我们就可以推断出远处光源与地球的距离。

而回头来,为什么会产生“红移”现象呢?这说明了一个连爱因斯坦都不喜欢的结论:远处星系与我们的距离正在变大,一直如此。

科学家们为这个现象取名“宇宙膨胀”。而每个人都作为宇宙中心所看到的宇宙都正在,或许是永远都在膨胀。

如同我们前面所说的。任何地方都是可见宇宙的中心。

这就不得不让科学家提出另一条宇宙原则:要猜想离地球很远的事情,人类必须假定没有一个特别的位置,也就是观察者在宇宙各处观察,任何方向看上去都是一样的——宇宙第二原则。远处的星系总是远离他的观察点——宇宙第三原则。

这听起来好像有点难以置信,但在宇宙这个大尺度的方向上,它是正确的。

发现宇宙膨胀的是美国天文学家埃德温·哈勃,他在1929年发现,这个定律也被称为“哈勃定律”,因此,他成为现代观察宇宙学之父。

然而,爱因斯坦并喜欢这个定律,因为,它表明宇宙构造在膨胀,也就是过去宇宙比现在小。这怎么可能?这在第二道墙时会得到证明,不过,在此之前,我们需要了解爱因斯坦引以为豪的引力。

引力无处不在,砸中牛顿的苹果也是引力在作怪。

就如月球在时空的弯曲,让地球表面的水向月球滑去,这正是潮汐的原因。

所有的一切,都受到引力的影响。

但是,为什么空气会网上飘呢?准确的说,比空气密度小的为什么不受引力影响而往下呢?当然,这是一个很容易的回答的问题,因为他们比空气轻,空气在他们下面。因此他们不得不腾出空间让空间容纳比自己重的物体。

前面在广义相对论中,我们已经知道引力是时空弯曲的结果,它会创造出斜坡,让你有向下滑落的趋势,而实际上,这种沿着时空构造的斜坡往下掉的运动是宇宙所有运动中最自然的。


引力降维

当然,就如碗中快速旋转的球一样,如果你要挣脱碗这个斜坡,就必须速度足够大才能旋转出来。地球上,也一样,如果你要挣脱地球这个巨大的引力造成的时空弯曲的斜坡,你就必须让速度高于第一宇宙速度,也成为逃逸地球的速度,相应的还有逃逸太阳系的速度等等……,可以提一下,40320公里每小时成为地球逃逸速度,也就是宇宙飞船最初需要的速度。

任何东西在任何方向上产生不可见的斜坡,我们称之为引力。因为宇宙构造本身就含有斜坡,那么宇宙构造到底是什么东西呢?

爱因斯坦在1905年给出了E=mc²的公式,但他又在1915年表示宇宙在任何地方的形状由该处的质量和能量决定。这也意味着,他抛弃了引力是一种作用力的概念,而是当做几何。

一直以来让外太空运动着的东西,是我们成为“宇宙构造”的东西。

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