光如何告诉我们宇宙的故事 - 彼得·爱德华兹

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人类长期观察宇宙并提出宏大的问题：宇宙如何开始？将会如何结束？宇宙学家正努力搜寻答案，但是他们要如何开始？答案是光。彼得·爱德华兹总结了光所携带的六种特殊的信号，当结合在一起时，能为天文学家揭示惊人的信息。

课程制作：彼得·爱德华兹。动画制作：贝文·林奇

宇宙是何时、又是如何诞生的？

它如何变成我们所见的这样？

它将如何结束？

人类自始以来一直都在讨论这些问题，

但是向来没有明确的结论。

如今，宇宙学家正努力寻找答案。

但是，对于如此深刻的问题，如何能期望得到确定的答案呢？

还有，要如何才可能探索和研究宇宙这般大的事物呢？

要知道我们永远无法到达宇宙中的大部分地区。

答案是光。

虽然来自宇宙中遥远区域的光

需要数十亿年才能到达我们这里，

但是这些光携带了六种独特的信号，
如果将这些信息整合起来

天文学家就可以从中揭示出大量的信息，

而天文学家知道如何去寻找这些信号。

就像太阳光可以被分离为我们所熟知的彩虹，

分离来自遥远天体的光也能发现不同的颜色模式，

这种模式取决于光的源头。

这一独特的光条形码不仅可以揭示天体的化学组成，

还可以告诉我们其各部分的温度和压力。

我们还可以从光里发现更多。

如果你曾站在一个火车站台上，你可能会发现

不同方向的火车听起来不同，

当火车朝向你时听起来音调较高

而远离时听起来音调较低。

但是这不是因为火车司机在玩。

而是由于多普勒效应——

接近中的物体所发出的声波会被压缩

而远离中的物体所发出的声波会被拉长。

可是，这和天文学有什么关系？

声音无法在真空中传播。
在太空中，没人能听到你的呼喊！

但是，当光源以特定的速度运动时，
其发出的光也有多普勒效应。

如果光源朝我们移动，光的波长会变短，

使其变得更蓝。

当光源远离我们时，

光的波长会变长，使其趋于红色。

因此，对于任何通过望远镜所观测的天体，

我们可以分析其带有多普勒效应的颜色模式，

由此可知天体的成分、温度和压力，

同时可知它是否运动、运动的方向和运动速度。

这六种测量，就像光的六个点，

揭示了宇宙的历史。

第一个研究来自遥远星系的光的人是埃德温·哈勃，

他所观测到的光是被红移的。

遥远的星系都在远离我们，

越远的星系其远离速度越快。

哈勃由此发现了宇宙正在膨胀，

这也是大爆炸理论的第一个证据。

除了说可见宇宙从一个密度极高的点

开始持续膨胀以外，

这一理论的重要预言之一是

早期宇宙只有两种气体：氢气和氦气，

其比例约为三比一。

这一预言也可以通过光来验证。

如果我们观测来自宇宙中一个遥远而安静的区域的光
并把它分离开来，

我们的确发现了这两种气体所留下的信号，且呈现正确的比例。

大爆炸理论的又一胜利。

然而，还有很多疑问。

虽然我们知道可见的宇宙正在膨胀，

但引力会踩下刹车。

但是针对来自遥远的濒死恒星的光的测量

告诉我们它们比预想的还要远。

因此，宇宙膨胀实际上正在加速。

看来有什么东西正在推动它，

很多科学家相信这是暗能量，

暗能量构成了2/3的宇宙，并在缓慢地撕开宇宙。

我们对于物质行为的知识
以及我们的仪器所具有的精度，

意味着仅仅通过观测遥远的恒星就能告诉我们宇宙的很多故事，

远超我们过去的想象。

但是还有其它未解之谜，比如暗能量的本质

至今我们还是一无所知。