弗里德曼预言宇宙膨胀
家都非常熟悉多普勒效应,最常见的例子是火车通过的汽笛声:
当火车快速接近我们时,汽笛的音调升高,远去时音调则降低。音调的变化是由于声波相对于我们的频率发生了变化。
多普勒效应不仅适用于声波,也适用于光波。当运动光源的光波到达我们的眼睛时,光波的频率也会产生相应的改变。如果光源向着我们运动,我们看到的光就会向光谱的高频端(紫端)偏移;反之,如果光源离我们远去,光波就会向光谱低频端(红端)偏移。
多普勒效应是奥地利天文学家多普勒在1842年首先发现的。它首先被用于观察太阳和行星的自转。1968年,英国天文学家W·哈金斯首次应用此原理测量了天狼星的视向速度,并宣布它正以每秒47千米的速度离我们远去。这一数字不算精确,但基本结论是对的。此后,各国天文学家对其他恒星乃至河外星系进行了大量类似的观测。
结果发现,星系光谱有普遍的红移现象。除了几个最近的星系外,所有的星系都在离我们远去。
1929年,天文学家埃德温·哈勃提出,这些星系的退行速度在有规律地增加,一个星系的退行速度与其距离成正比。这个规律叫做哈勃定律,它很快就为天文观测所证实。
离我们越远的星系远去得越快,为什么会这样呢?设想一个表面涂满小点的气球,当气球膨胀时,小点便各自远离。假设有个小人站在任一点上,在他看来,其他所有的点似乎都在离它远去,而且离它越远的点远离得越快。不论它站在哪个点上,效果都是一样的。(这也意味着,哈勃定律决不表示地球是宇宙的中心)。
星系这种远去的行为使人们觉得宇宙仿佛是在膨胀,就像膨胀着的气球一样。天文学家现在大都承认了宇宙膨胀这一事实。而且对爱因斯坦广义相对论中“场方程”的解释,能够与膨胀宇宙相符合。
1922年,前苏联数学家AA弗里德曼首先提出这种可能性。
当时哈勃定律还没有提出,弗里德曼完全是通过理论推导得出此结论的。在此之前,爱因斯坦已经发现自己的方程只能描述一个膨胀或收缩的宇宙。但这位科学巨匠缺乏敢于预言宇宙并非静止的自信心,遂强行在方程中引入一个斥力,描述了一个静态宇宙。
弗里德曼指出,爱因斯坦静态宇宙是极不稳定、不可能维持的,一个膨胀的宇宙虽然听上去有些古怪,却更为合理。爱因斯坦被说服了。年轻的弗里德曼率先预言了宇宙膨胀。可惜天妒英才,弗里德曼未能看到他的理论被哈勃所证实。1925年他因伤寒去世,终年37岁,其成果鲜为人知。