JOVANA
Library Glossary Getting Started Three Levels Fields How it works Mission
Join the mission
Back to the library
物理学 1929

河外星云的距离与视向速度之间的关系

埃德温·哈勃

星系越远,逃离越快——这是整个宇宙正在膨胀的第一个迹象。

Choose your version
In depth · the introduction

向太空望得够远,几乎每一个星系都在朝我们飞奔而去——而它越远,逃得越快。

核心想法

1929 年,埃德温·哈勃把星系有多远,和它们动得有多快,放在一起比较,发现了一条简单得惊人的规则:一个远一倍的星系,逃得也快一倍。一个星系的速度,不过是它的距离乘以一个固定的数——如今我们称之为哈勃常数。

我们所在的地址并无特别——从任何一个星系望出去,看到的都是同一回事。唯一能解释它的图景,是一个膨胀的宇宙:空间本身在伸展,像发起来的面团里的葡萄干那样,把星系彼此带开。把这膨胀倒回去,万物曾经挤作一团——这正是大爆炸构想的种子。

它是如何诞生的

哈勃在加利福尼亚的威尔逊山工作,用着当时世界上最大的望远镜。为了量距离,他倚靠一种会脉动的特殊恒星——造父变星,它们均匀的明暗起伏,泄露了它们有多远。速度则更难得:几乎所有这些速度,都是维斯托·斯里弗在多年前一点一点测出来的,是他最先注意到,那些暗弱的「旋涡星云」几乎都在朝我们远去。

哈勃把两者对画在一起,看见了那条线。但他并非真正的第一人:比利时的神父兼物理学家乔治·勒梅特,早在两年前就从爱因斯坦的引力推出了同一条定律,甚至估出了那个数——只是他用法文发表在一份几乎无人问津的期刊上。正因如此,如今这条规则常被称作哈勃–勒梅特定律。

它为何重要

在哈勃之前,大多数科学家——包括爱因斯坦——都假定宇宙是静止而永恒的。一张暗弱的图,推翻了这一切。一个会膨胀的宇宙,是一个有历史、有起点的宇宙;而正是这一转变,推开了整个现代宇宙学的门:大爆炸、宇宙的年龄,以及这一切将如何收场的疑问。

一个可以想象的画面

在一只气球上画些点,然后开始吹它。每一个点都在离开其他每一个点,而远一倍的点,离开得也快一倍——可没有哪个点是中心;只是整张橡皮面在伸展。星系是那些点,空间是那层橡皮——这正是哈勃在星空中读到的图样。

可交互的哈勃图:一群星系以退行速度对距离绘成散点;拖动滑块改变哈勃常数 H₀,让直线 v = H₀·d 倾斜着穿过这些点,旁边的面板读出 H₀、由 1/H₀ 推出的宇宙年龄(以十亿年计),以及 100 兆秒差距处的速度。

它的位置

哈勃定律立足于爱因斯坦的广义相对论(1915),而弗里德曼与勒梅特早已表明,那些方程能描述一个膨胀的宇宙。它向前延伸,连到 1965 年发现的宇宙微弱背景热,连到 1998 年关于膨胀正在加速的发现,也连到今天的引力波天文台——就像本馆中的 LIGO——它们如今提供了一种全新而独立的途径,去称量同一个哈勃常数。

The original document
Original source text
Edwin Hubble · Proc. Natl. Acad. Sci. USA 15 (1929): 168–173 · communicated January 17, 1929
Determinations of the motion of the sun with respect to the extra-galactic nebulae have involved a K term of several hundred kilometers which appears to be variable.
[ … ]
The results establish a roughly linear relation between velocities and distances among nebulae for which velocities have been previously published, and the relation appears to dominate the distribution of velocities.
Adopted coefficient: K = +500 km./sec. per million parsecs (the regression gives +465 ± 50). In modern notation H₀ ≈ 500 km/s/Mpc — about seven times the value measured today.
[ … ]
The outstanding feature, however, is the possibility that the velocity-distance relation may represent the de Sitter effect, and hence that numerical data may be introduced into discussions of the general curvature of space.
Mount Wilson Observatory, Carnegie Institution of Washington · 1929