了不起的物理

41 宇宙越變越大:哈勃定律

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從古代開始,哲學家們就在思考一個問題:宇宙是否無限大?宇宙是否存在了無限久?

這兩個問題,牛頓回答了第一個。牛頓認為,宇宙必須無限大。如果宇宙不是無限大,由於有萬有引力的存在,萬事萬物必然在引力的作用下相互聚攏,最終收縮成一團物質。很明顯,我們的宇宙裏天體之間的距離都很大,並沒有因為存在萬有引力而匯聚在一起。因為隻有當宇宙無限大的時候,天體才有可能在受到另外一個天體吸引的同時,在相反方向上必存在一個天體提供與之平衡的引力。無限大意味著無限可能性,隻要去找就一定有。

德國哲學家奧博斯回答了第二個問題。奧博斯認為,如果牛頓是對的,也就是如果宇宙真的是無限大,則它必然存在了有限時間。否則地球上應該隻有白天沒有黑夜。奧博斯的推理很簡單,如果宇宙無限大,則你看向夜空,不論你看向哪個方向,在這個方向上必然存在一個發光的天體。奧博斯那個時候已經知道光速有限,光的傳播需要時間。如果宇宙存在了無限久的話,遠處天體的光必然已經傳到地球上被我們看見,如此一來,不管你看向哪個方向,都應該能看到一個正在發光的天體,我們的天空應該處處有星光,那麽黑夜就不應該存在,地球上應該永遠是白天。

牛頓和奧博斯分別回答了宇宙是否無限大,存在是否無限久的問題。但是他們的答案是自相矛盾的。就好比蓋房子,如何用有限時間蓋無限高的樓呢?物理層麵上我們無法想象宇宙如何做到,用有限的時間生長到無限大,但很多時候,答案錯誤是因為問題問得不對。

問宇宙的大小和年齡是靜態思維,假設宇宙是一成不變的。這個問題最終是20世紀30年代,美國天文學家哈勃解決的。哈勃通過對幾十個星係的觀測,發現所有天體都在遠離我們而去,並且距離我們越遠,遠離的速度越快,這就是著名的哈勃定律。哈勃定律告訴我們,宇宙處在膨脹過程中,宇宙在不斷長大。