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从Hubber(哈勃)定律谈起

从Hubber(哈勃)定律谈起

本人的专业是数理统计, 对天文只是爱好而已, 直到现在也只达到”业余爱好者”的水平, 可是对于Hubber(哈勃)定律的了解肯定会对我们讨论有很大的帮助。现在我介绍一些从天文科普读物上抄来的内容,供大家分享。

几千年前,人们就把天上的星星分为“恒星”和“行星”,所谓恒星是指它们的位置恒定不动,而行星是有规律地在天上运动着的,完全无规则运动的是“慧星”。

后来,有了望远镜,人们发现恒星的位置也并非固定,它们也有微小的移动。但有什么规律? 完全杂乱无章,好象是完全随机的在运动着。现在可以说:在整个银河系内,距离10万光年范围内,恒星运动速度不超过每秒几十公里,速度和方向几乎完全是随机的。

发明了光谱仪之后,人们知道用星光的光谱来测定星星的温度和位移。如果星星朝向我们运动,离我们越来越接近,则接受的光谱频率会升高,较原来会向兰色方向偏移,称为“兰移”,就象火车向我们开近时,汽笛声会更尖;反之,如果星星向我们越来越远离,则接受的光谱频率会降低,较原来会向红色方向偏移,称为“红移”,就象火车离开我们而远去时,汽笛声会更低沉。这就是“多普勒效应”。那么有了光谱仪和有了可以看到更远距离的望远镜之后,人们认为星系(团),都是怎么样运动着的?

在天上离织女星不远,有个“仙后座星系”。它可以勉强用肉眼看到,呈椭园状,在“星云星团图”上被编号为M31,它离我们170万光年。我们的银河系正以每秒百多公里的速度(比航天飞机快几十倍)在坚定不移地向它靠近,这当然是属于“兰移”的。由于它和我们银河系一样,都是由大约千亿颗恒星组成,这样大质量的两个星系彼此受万有引力作用而相互吸引运动,这种相撞一定是会发生的。这不象我们计算小行星轨道,在判断小行星是否会撞上地球时,由于计算误差很可能导致结论错误,小行星可能撞上地球,也可能擦肩而过。银河系与M31的相撞完全是必然的,预计几十亿年后将会隆重上演。两个星系相撞后将完全重组,会变成什么样,由于相撞时的随机性太强,现在不可能具体给出预报。但那时“人”会在哪里呢?太阳的全部氢燃料再经60亿年将会完全耗尽,它将塌缩成为白矮星,演变成以氦聚变成碳为主要产生能量的新的恒星。但太阳在塌缩前会有一次短短几千年的大爆炸,爆炸的范围会扩大到大约现在火星的轨道,地球将会被完全吞进去,温度将达到1000度左右。地球上所有的生命将不复存在,蛋白质全部被碳化,人是不可能再存活的。

除了M31之外,也还另有一个星系也是“兰移”的。但与此同时,却发现有相当多的属于“红移”的星系。那么,在星系中究竟“兰移”“红移”哪个多哪个少?20世纪初,人们统计了已计算出距离的31个星系中,发现只有2个“兰移”,其余全是“红移”。根据统计学中最简单的“符号检验法”,可以判断出规律:“红移要比兰移多”。现在可以说:在距离1000万光年范围内,星系运动速度不超过每秒几百公里,绝大多数是红移的,但也有兰移的。

后来,人们仔细分析发现,出现兰移的只是距离较近的星系,距离远(超过1000万光年)的就再也没有兰移的。而且距离越远,红移越大。也就是说,离我们越远的星系,就以越快的速度飞奔后退,离我们更远,后退速度可以达到每秒几千公里。但这是规律性的结论吗?到了1929年,Hubber抛弃掉所有“近距离”的数据,根据对14个“远距离”星系的观测,将它们的距离与“红移”的这两个变量数据整理了出来,作了回归分析,做出了最著名的断言:

HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH
“星系运动的红移量与其距离成正比”
HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH

这就是有划时代意义的伟大的“Hubber定律”。 其比例常数被称为“Hubber常数”H。但当时,对于距离和红移两方面的测量都很不准确,当时计算出来的H常数与现在几乎差了一倍,但这丝毫不影响Hubber定律的伟大意义。
Hubber定律的发现,开创了“宇宙学”这门新学科。由于Hubber定律的发现,1949年,俄裔科学家Gamov发表了宇宙产生于大爆炸的理论。当年绝大多数人都对大爆炸理论持否定态度,但现在人们已逐渐接受了。越来越多的事实证明只有大爆炸学说才可能是合理的。现在又观测了上千个星系的结果,Hubber定律的规律性依然不变,对H的测量也越来越准确,而根据大爆炸理论,H的倒数就正好是宇宙的年龄。测量的最新结果表明,H的倒数也即宇宙的年龄为137亿年。对H现在已经有了这样准确的估计,宇宙的从产生到现在已经有137亿年的历史了。

宇宙现在仍然在膨胀中。正因为如此,所以星系的红移才是普遍规律。但新的问题又产生了:宇宙将会永远这样膨胀下去吗?现在知道,至少还要再膨胀3000亿年。那3000亿年以后呢?有人主张还会继续膨胀下去,有人甚至主张会更加速膨胀下去,但也有人主张3000亿年后会开始收缩。决定宇宙命运的关键是宇宙总质量,而对宇宙总质量的估计又取决于暗物质究竟占多大比重,取决于对中微子质量的估计。现在所看到的“亮”宇宙的所有质量,究竟占整个宇宙总质量多大百分比?1%,5%,还是高达10%?这是问题的关键。天文学家正在讨论中。作为最普通的老百姓是否也应该知道些这方面的常识?温家宝在03年7月1日访问香港与医学界代表谈到SARS病毒研究工作的时候,还特意提到:“暗物质的研究是天文学界研究的前沿课题之一,SARS病毒的研究是你们医学界研究的前沿课题之一,我们一定要有在前沿课题上建功立业的决心…..”。作为黑带,什么知识都应该懂一些。对Hubber定律也不例外。

如果现在有人问你,宇宙间星系(团)的移动有什么规律?你该怎么回答?

能说Hubber定律就是全部吗?恐怕不全面。因为在1000万光年的距离内,你可以根据观测到的数据说,星系的运动几乎没有什么规律,有很多红移,但也有些兰移。你不能说兰移不重要。因为就按离我们最近的星系来说,我们银河系正经受“兰移”之苦,飞速奔向仙女座星系。但是否可以说,星系间的运动完全没有规律呢?恐怕更不能这样说,因为Hubber定律具有更普遍得多的实质性的意义。你决不应该忽略它。

联系到我们现在对统计学中假设检验理论的讨论,我们是否可以从Hubber定律中学到些什么?

Student-xuling0688
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生活中大多数的事情都取决于你有没有选择能力。你要有良好的品味和正直的判断能力,只靠智力和运用能力是不够的。没有明察和适当的选择就不可能有完美的结果。于是这就涉及到两种才华:能选择的才华和能作出最佳选择的才华。有许许多多的人灵慧多智,判断严谨,既勤奋又多闻博识,可在选择的问题上却常常打败仗。他们总是选中了最差的东西,好像特意要显露他们做错误选择的本领似的。知道如何选择是老天赋予的最伟大的才华之一。

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