《時(shí)間簡(jiǎn)史》第三章
看一章時(shí)之众，正是我對(duì)霍金的嚴(yán)謹(jǐn)和敢于挑戰(zhàn)自我感受最為深刻的時(shí)候，兒子問(wèn)我依许，媽媽你看這本書(shū)干嘛棺禾，對(duì)你又沒(méi)啥幫助，我告訴他峭跳，“這本書(shū)可以讓我們學(xué)習(xí)霍金的認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)膘婶、敢于挑戰(zhàn)自我√箍担可以讓我們知道什么是宇宙竣付，新的宇宙觀是什么？什么是四維空間滞欠？......古胆。”
這一章Dear Hawking會(huì)告訴我們宇宙是膨脹是如何證明的？為何到現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)宇宙是膨脹的逸绎？宇宙是膨脹的惹恃，那么會(huì)產(chǎn)生什么樣的后果？....
如何證明宇宙是膨脹的棺牧？為何到現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)宇宙是膨脹的巫糙？宇宙是膨脹的，那么會(huì)產(chǎn)生什么樣的后果颊乘？
除了科學(xué)謹(jǐn)慎的推理過(guò)程参淹，同時(shí)告訴我們科學(xué)研究中，當(dāng)遇到矛盾的或者難以解釋的事情時(shí)乏悄，不僅要大膽的挑戰(zhàn)已有的理論或者道理浙值，甚至要大膽的對(duì)自己的科學(xué)研究進(jìn)行挑戰(zhàn)。
帶著這些疑問(wèn)一起回顧本章檩小。
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如何證明宇宙是膨脹的开呐？Dear hawking通過(guò)從近的星系介紹，對(duì)近距離星系的結(jié)構(gòu)和容易獲取近距離星系的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明规求，可以對(duì)一些結(jié)論進(jìn)行證明筐付。
通過(guò)對(duì)光譜的分析引入多普勒效應(yīng)，通過(guò)多普勒效應(yīng)的原理的介紹阻肿，讓大家清楚距離和光的波長(zhǎng)的關(guān)系瓦戚，從而得出紅移和藍(lán)移的結(jié)論。
通過(guò)發(fā)現(xiàn)星系存在紅移現(xiàn)象冕茅，證明宇宙是膨脹的伤极。然而，膨脹之后又會(huì)發(fā)生什么姨伤？
2
我們可以看到附近的行星和恒星，隨著地球圍著太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)庸疾，我們發(fā)現(xiàn)恒星之間的位置會(huì)發(fā)生變化乍楚，即并不是固定不動(dòng)的。
因?yàn)榫嚯x近届慈，我們可以測(cè)量這些恒星離我們的距離徒溪，這些可見(jiàn)的恒星集中在銀河帶上。通過(guò)威廉.赫歇爾爵士對(duì)大量恒星的觀測(cè)金顿，可以得出螺旋星系的概念臊泌。即恒星處在一個(gè)單獨(dú)的碟狀結(jié)構(gòu)上。
1924年揍拆，哈勃發(fā)現(xiàn)銀河系并不是唯一的星系渠概，那么如何證明呢？
恒星的視亮度取決于兩個(gè)因素：光度和距離。假定相同類型的恒星具有同樣的光度播揪，通過(guò)測(cè)量他們的視亮度贮喧，進(jìn)行推算距離，通過(guò)對(duì)其他星系的不同類型的恒星進(jìn)行分析后猪狈，發(fā)現(xiàn)他們離我們的距離是一致的箱沦，可以確定我們不是唯一的星系。
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恒星離我們這么遠(yuǎn)雇庙，如何區(qū)分他們的類型呢谓形？可以通過(guò)光的顏色進(jìn)行觀察。
不同的恒星具有不同的光譜疆前，不同顏色的相對(duì)亮度和從紅熱的物體上發(fā)出的光的光譜一致套耕。即和從不透明灼熱的物體發(fā)出的光，只依賴于溫度產(chǎn)生的熱譜（光譜）峡继，所以我們可以從熱譜得出他們的溫度冯袍。另一方面，化學(xué)元素吸收特定的顏色族系碾牌，恒星失去的顏色也可以分析出恒星大氣中存在哪些元素康愤。
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通過(guò)對(duì)恒星光譜的特征線族的持續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)所有這些恒星的特征線族都向光譜的紅端進(jìn)行移動(dòng)舶吗。
怎么理解紅移呢征冷？必須從多普勒效應(yīng)來(lái)進(jìn)行分析。
假定固定的距離處一顆恒星發(fā)出固定的光波誓琼，當(dāng)恒星向我們運(yùn)動(dòng)時(shí)检激，兩個(gè)波峰間的距離就會(huì)變小，即波長(zhǎng)比靜止時(shí)短腹侣，反之則變大叔收，即波長(zhǎng)比靜止時(shí)長(zhǎng)。因此傲隶，當(dāng)恒星離我們而去時(shí)饺律，則光譜向紅端移動(dòng)。
日常生活中的汽車朝我們呼嘯而來(lái)時(shí)跺株，音調(diào)就變高复濒，當(dāng)它離去時(shí)，音調(diào)也變低乒省，也是體現(xiàn)了多普勒原理頻率和速度的關(guān)系巧颈，只是不同的是聲波，警察測(cè)速使用的也是多普勒效應(yīng)的原因袖扛，靠測(cè)定電波反射的波長(zhǎng)來(lái)測(cè)定車速砸泛。
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哈勃經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所有的星系都是紅移的，而且紅移的大小和星系離我們的距離成正比晾嘶，星系越遠(yuǎn)妓雾，離開(kāi)我們運(yùn)動(dòng)的越快，這就說(shuō)明了宇宙是膨脹的垒迂，并不是靜止的械姻；不同星系之間的距離一直在增加著。
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"宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)最偉大的智慧革命之一机断。事后想起來(lái)楷拳，何以過(guò)去從來(lái)沒(méi)有人想到這一點(diǎn)？吏奸！"
從牛頓的引力論可以預(yù)測(cè)出宇宙在引力的影響下很快就會(huì)收縮欢揖，宇宙的靜態(tài)論影響如此之大，以至于愛(ài)因斯坦等其他的科學(xué)家以至堅(jiān)信這個(gè)理論奋蔚，甚至愛(ài)因斯坦提出了一個(gè)反引力的說(shuō)法她混，這種力是空間—時(shí)間所固有的，用來(lái)平衡宇宙物質(zhì)之間的引力泊碑，以使宇宙是靜止的坤按。
真理往往掌握在少數(shù)人手上，當(dāng)我們?cè)谟龅诫y以解釋的事情時(shí)馒过，是不是可以提醒自己臭脓，也許自己或者大家認(rèn)為的道理也有可能是錯(cuò)的？
弗利德曼在大家都在避免“非靜止宇宙”時(shí)腹忽，對(duì)宇宙提出了兩個(gè)假定来累，不論從哪個(gè)方向，也不論在哪個(gè)地方觀察窘奏，宇宙看起來(lái)都是一樣的嘹锁。！
如果宇宙是靜止的蔼夜，那么這里假定一定是錯(cuò)誤的兼耀，但是通過(guò)彭齊亞斯和威爾遜的微波探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的微波噪音，在各個(gè)方向獲取的噪聲變化及其微小求冷，證明了不論從哪個(gè)方向，宇宙看起來(lái)都是一樣的窍霞。匠题！那么是不是我們就是在宇宙的中心呢？那么有沒(méi)有可能但金，在任何其他星系上看宇宙韭山，任何方向也是一樣的呢？如果只在我們這里看起來(lái)是一樣的，是很奇怪的事情钱磅，通過(guò)前面分析不同星系都存在的紅移分析來(lái)看梦裂，紅移與星系離開(kāi)我們的距離成正比，這樣就證明了弗利德曼的兩個(gè)假定都是成立的盖淡。
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在這樣的假定前提下年柠，滿足這兩個(gè)假設(shè)的共有三種模型。
模型一：宇宙膨脹的比較慢褪迟，在不同星系的引力影響下冗恨，停止膨脹，然后開(kāi)始互相靠近味赃，然后收縮掀抹；
模型二：宇宙膨脹的很快，以至于引力雖然可以使之緩慢心俗，但是不能讓它停止傲武；
模型三：宇宙膨脹和引力正好臨界，使得宇宙剛好可以避免坍縮城榛。
但是究竟用哪個(gè)模型來(lái)描述我們的宇宙呢揪利？通過(guò)計(jì)算現(xiàn)在的宇宙膨脹速度和平均密度，可以回答這個(gè)問(wèn)題吠谢。使用多普勒效應(yīng)土童，可以確定現(xiàn)在的膨脹速度，但是我們難以測(cè)量的是平均密度工坊，因?yàn)槌擞^測(cè)到的星體之外献汗，還有比較多的暗物質(zhì)和無(wú)法觀測(cè)到的物質(zhì)，可能是我們獲得停止膨脹所需的臨界值王污。
不過(guò)大家不要擔(dān)心罢吃，既然宇宙已經(jīng)膨脹了100億年，即使最后要坍縮昭齐，也需要這么長(zhǎng)時(shí)間的尿招！
這三個(gè)模型都具有一個(gè)特點(diǎn)，即在過(guò)去的某個(gè)時(shí)刻阱驾，星系之間的距離為“0”就谜，也就是被我們成為“大爆炸”的時(shí)刻，也就是數(shù)學(xué)中稱為奇點(diǎn)的一個(gè)例子里覆。
大爆炸之前的事件既然無(wú)法統(tǒng)計(jì)丧荐，那么時(shí)間就是從“大爆炸”開(kāi)始的。這里回答了第二章的問(wèn)題喧枷。
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關(guān)于宇宙模型虹统，出現(xiàn)了多種不同的想法和模型弓坞，只有弗里德曼的模型存在大爆炸奇點(diǎn)，但弗的模型里车荔，假設(shè)星系都是直接相互離開(kāi)的渡冻，但實(shí)際上星系不僅僅直接相互離開(kāi)，還是有一些斜向速度的忧便。
也許族吻，膨脹的宇宙不是來(lái)自于大爆炸奇點(diǎn)，而是來(lái)自于早期的收縮茬腿；宇宙坍縮時(shí)呼奢，粒子可以不都碰撞俺泣，而是離的很近飛過(guò)又離開(kāi)固额？
經(jīng)過(guò)不同的科學(xué)家的反復(fù)試驗(yàn)，有的認(rèn)同奇點(diǎn)理論扫尖，有些則認(rèn)為不存在奇點(diǎn)理論悴品，可惜的是禀综，最后在存在廣泛的奇點(diǎn)理論影響下，科學(xué)家們放棄了即使在某種例外的模型中苔严，星系以正確的方式運(yùn)動(dòng)定枷，可能會(huì)不存在大爆炸的情況。
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彭羅斯在1965年通過(guò)利用廣義相對(duì)論中光錐形為的方式以及引力總是吸引的事實(shí)届氢，證明了恒星所有的物質(zhì)最后會(huì)被壓縮到一個(gè)零體積的區(qū)域里欠窒，即人們得到了一個(gè)奇點(diǎn)，是包含在一個(gè)叫“黑洞”的時(shí)空區(qū)域中退子。
至此岖妄，許多科幻電影里的“黑洞”終于呈現(xiàn)在我們的眼前，是恒星壓縮成零體積后的一個(gè)產(chǎn)物寂祥。
Dear hawking在彭羅斯的基礎(chǔ)上發(fā)展了新的數(shù)學(xué)技巧荐虐，和彭羅斯一起合作證明了，假如廣義相對(duì)論是正確的丸凭，那么過(guò)去一定存在過(guò)一個(gè)大爆炸奇點(diǎn)福扬。
現(xiàn)在大家都假定宇宙是從一個(gè)大爆炸奇點(diǎn)開(kāi)始的，但是Dear hawking卻開(kāi)始大膽的挑戰(zhàn)自己的理論惜犀，他提出铛碑，一旦考慮到量子效應(yīng)，則奇點(diǎn)就會(huì)消失虽界。
下一章我們一起從量子力學(xué)開(kāi)始分析是否奇點(diǎn)會(huì)消失吧亚茬！
