哈勃定律。科学发现的历史和本质

哈勃定律。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

“1744 年，瑞士天文学家 de Shezo 并在 1826 年独立地提出了以下悖论，”T. Regge 在他的书中写道，“这导致了当时幼稚的宇宙学模型的危机。想象一下地球周围的空间是无限的，永恒不变的，它均匀地充满了恒星，它们的密度平均是恒定的。在简单计算的帮助下，Szezo 和 Olbers 表明，恒星发送到地球的光总量应该是无限的，因此夜空不会是黑色的，而是说得委婉些，充满了光。为了摆脱他们的悖论，他们假设太空中存在着巨大的游荡不透明星云，遮蔽了最遥远的星星。事实上，没有出路：通过吸收来自恒星的光，星云不可避免地会升温，并且自身也会像恒星一样发光。

所以，如果宇宙学原理是真的，那么我们就不能接受亚里士多德关于宇宙永恒不变的观点。在这里，就像在相对论的情况下，自然似乎更喜欢其发展的对称性，而不是想象中的亚里士多德式的完美。

然而，对宇宙不可侵犯性最严重的打击不是来自恒星演化理论，而是来自伟大的美国天文学家埃德温哈勃获得的星系后退速度测量结果。

埃德温·哈勃（1889-1953）出生在密苏里州马什菲尔德的小镇，父亲是保险代理人约翰鲍威尔哈勃和他的妻子弗吉尼亚李詹姆斯。埃德温很早就对天文学产生了兴趣，可能是在他的外祖父的影响下，他为自己制造了一台小型望远镜。

埃德温 1906 年高中毕业。十六岁那年，哈勃进入芝加哥大学，该大学当时是美国十大最好的教育机构之一。天文学家 F.R. 马尔顿，著名的太阳系起源理论的作者。他对哈勃的进一步选择产生了很大的影响。

大学毕业后，哈勃设法获得了罗德奖学金，并前往英国继续深造三年。然而，他不得不在剑桥学习法律，而不是自然科学。

1913年夏天，埃德温回到祖国，但没有成为一名律师。哈勃渴望科学并回到芝加哥大学，在弗罗斯特教授的指导下，他在耶克天文台准备了哲学博士学位论文。他的工作是对天空几个区域的微弱螺旋星云进行统计研究，并不是特别原创。但即便如此，哈勃也同意“螺旋星系是距离通常以数百万光年为单位的恒星系统”。

这时，天文学界的一件大事即将来临——由杰出的科学组织者D.E.领导的威尔逊山天文台。 Hale 正准备委托最大的望远镜 - 一百英寸的反射镜（250 厘米 - 作者注）。哈勃等人收到了在天文台工作的邀请。然而，1917 年春天，当他完成论文时，美国加入了第一次世界大战。这位年轻的科学家拒绝了邀请，自愿参军。作为美国远征军的一员，哈勃少校于 1918 年秋天，战争即将结束前抵达欧洲，并没有时间参加敌对行动。 1919年夏天，哈勃出院，匆匆赶往帕萨迪纳接受黑尔的邀请。

在天文台，哈勃开始研究星云，首先关注银河系中可见的物体。

K. Lang 和 O. Gingerich（美国）的选集《天文学和天体物理学主要资料集，1900-1975 年》再现了 XNUMX 世纪四分之三时期最杰出的研究成果，包含哈勃的三部作品，以及其中第一个是关于河外星云分类的工作。另外两个与这些星云性质的确立和红移定律的发现有关。

1923 年，哈勃开始用 6822 和 XNUMX 英寸的反射器观察仙女座星云。这位科学家得出结论，大型仙女座星云确实是另一个恒星系统。哈勃望远镜对 MOS XNUMX 星云和三角座星云获得了相同的结果。

尽管许多天文学家很快就知道了哈勃的发现，但直到 1 年 1925 月 XNUMX 日，当 G. Russell 在美国天文学会会议上宣读了哈勃的报告时，才正式宣布这一消息。著名天文学家 D. Stebbins 写道，哈勃的报告“将物质世界的体积扩大了一百倍，彻底解决了关于螺旋本质的长期争论，证明它们是巨大的恒星集合，其大小几乎与我们自己的银河系相当。 ” 现在，宇宙在天文学家看来是一个充满星岛（星系）的空间。

已经有一个确定星云真实性质的证据确定了哈勃在天文学史上的地位。但更杰出的成就落在了他的身上——发现了红移定律。

螺旋和椭圆“星云”的光谱研究始于 1912 年，基于这样的考虑 1 如果它们真的位于我们的银河系之外，那么它们不参与其旋转，因此它们的径向速度将指示太阳的运动。预计这些速度将在每秒 200-300 公里的数量级，即它们对应于太阳围绕银河系中心的速度。

与此同时，除了少数例外，星系的径向速度被证明要高得多：它们以每秒数千和数万公里的速度测量。

1929 年 36 月中旬，哈勃在《美国国家科学院院刊》上发表了一篇题为“关于河外星云的距离和径向速度之间的关系”的简短说明。那时，哈勃已经有能力将一个星系的速度与它的距离与 XNUMX 个物体的距离相匹配。事实证明，这两个量是通过成正比的条件相关的：速度等于距离乘以哈勃常数。

这个表达式被称为哈勃定律。这位科学家在 1929 年确定了哈勃常数的数值为 500 公里/（s x Mpc）。然而，他在确定与星系的距离时犯了一个错误。经过对这些距离的反复修正和细化，哈勃常数的数值现在取为 50 km/(s x Mpc)。

威尔逊山天文台开始确定更遥远星系的径向速度。到 1936 年，M. Humason 发表了一百个星云的数据。大熊座一个遥远星系团的成员记录了每秒 42 公里的创纪录速度。但这已经是000英寸望远镜的极限了。需要更强大的工具。

T. Regge 说：“你可以使用更熟悉、更直观的图像来解决哈勃太空膨胀的问题。”例如，想象士兵在某个广场上以 1 米的间隔排成一列。这样这个间隔就会增加到 2米。无论以哪种方式执行命令，两个并排站立的士兵的相对速度为 1 m/min，两个相距 100 米的士兵站立的相对速度为 100 m/min ，如果我们考虑到它们之间的距离会从 100 米增加到 200 米。因此，相互移除的速度与距离成正比。注意，在行展开之后，宇宙学原理仍然有效：“星系-士兵”仍然是均匀分布的，不同的相互距离之间的比例相同。

我们比较的唯一缺点是，在实践中，其中一名士兵总是一动不动地站在广场的中心，而其余的士兵则以更大的速度分散，他们离中心的距离越大。然而，在太空中，没有可以对速度进行绝对测量的里程碑。我们被相对论剥夺了这样的机会：每个人都只能将他的运动与走在他身边的人的运动进行比较，同时在他看来，他们正在逃离他。

因此，我们看到哈勃定律确保宇宙学原理始终保持不变，这证实了我们的观点，即该定律和原理本身确实有效。

另一个直观图像的例子是炸弹的爆炸。在这种情况下，碎片飞得越快，它就会飞得越远。爆炸本身发生片刻后，我们看到碎片按照哈勃定律分布，也就是说，它们的速度与它们的距离成正比。然而，这里违反了宇宙学原理，因为如果我们离爆炸地点足够远，我们将看不到任何碎片。这样，现代宇宙学中最著名的术语“大爆炸”就被提出来了。根据这些想法，大约 20 亿年前，宇宙中的所有物质都集中在一个时间点上，由此开始了宇宙向现代大小的快速膨胀。

哈勃定律几乎立即在科学界得到认可。哈勃发现的重要性受到高度评价爱因斯坦. 1931 年 XNUMX 月，他写道：“哈勃和休马逊关于红移的新观测……使得宇宙的一般结构不是静止的似乎是合理的。”

哈勃的发现最终摧毁了自亚里士多德时代以来就存在的关于静态、不可动摇的宇宙的想法。目前，哈勃定律用于确定与遥远星系和类星体的距离。

作者：萨明 D.K.

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