多普勒效应是物理学中的一个现象。它描述波源和观察者相对运动时频率的变化。生活中最常见的是声音的多普勒效应。一辆汽车鸣笛驶过。汽车靠近时声音变尖。汽车远离时声音变低沉。这是声波频率变化的直观表现。

光也是一种波。光波也有多普勒效应。当光源和观察者相互靠近时。光波频率看起来会升高。光波频率升高意味着光向蓝色端移动。这叫蓝移。当光源和观察者相互远离时。光波频率看起来会降低。光波频率降低意味着光向红色端移动。这叫红移。天文学中光的多普勒效应极其重要。

二十世纪初天文学家观测星系。他们分析星系发出的光。他们发现一个奇怪现象。许多星系的光谱有系统性的红移。这意味着星系的光向红色端移动。红移表明这些星系在远离我们。埃德温·哈勃进行了深入研究。他测量了许多星系的红移和距离。他发现一个规律。星系距离我们越远。它的红移量就越大。红移量大表示远离速度快。这就是哈勃定律。哈勃定律揭示宇宙正在膨胀。宇宙不是静止的。宇宙像气球一样在变大。

宇宙膨胀的发现是二十世纪重大科学成就。它改变了人类的宇宙观。以前人们认为宇宙是静止永恒的。现在知道宇宙是动态演化的。宇宙膨胀意味着过去的宇宙更小更致密。逆着时间追溯。宇宙必然有一个起点。那个起点密度极大温度极高。这就是大爆炸理论的源头。大爆炸理论认为宇宙源于一个奇点的爆发。然后空间时间物质能量开始演化。

红移是宇宙膨胀的关键证据。天文学家测量红移主要依靠光谱。星光穿过棱镜或光栅。光被分解成不同颜色的光谱。光谱中有许多暗线。这些暗线是特定元素吸收光的特征。比如氢元素有特定吸收线。如果星系在远离我们。这些特征线会向红色端移动。移动的距离可以计算退行速度。

红移值用字母z表示。z等于观测波长减去固有波长再除以固有波长。红移值可以很大。有些遥远星系红移值超过1。红移值越大说明宇宙膨胀导致的光谱拉伸越厉害。也意味着我们看到的是宇宙更早期的样子。

宇宙微波背景辐射是另一个重要证据。大爆炸理论预言了残留辐射。1965年彭齐亚斯和威尔逊偶然发现了它。这种辐射来自宇宙各个方向。温度约为绝对零度以上2.7度。这是宇宙早期炽热状态的冷却遗迹。它的发现强有力支持了大爆炸理论。

宇宙膨胀速度不是固定的。科学家想测量膨胀速度的变化。他们需要更远的观测目标。Ia型超新星是重要的标准烛光。这种超新星亮度很固定。通过观测亮度可以推算距离。1998年两个研究小组独立工作。他们观测遥远的Ia型超新星。他们发现宇宙膨胀不是在减速。宇宙膨胀实际上在加速。这个发现令人惊讶。万有引力应该使膨胀减慢。但某种未知力量在对抗引力。这种力量被称为暗能量。

暗能量是宇宙的主要成分。宇宙中普通物质很少。暗物质比普通物质多。暗能量比暗物质更多。暗能量推动宇宙加速膨胀。它的本质仍是未解之谜。

红移研究推动望远镜技术进步。哈勃空间望远镜发挥了巨大作用。它在地球大气层外观测。它不受大气干扰。它拍摄到许多遥远星系的清晰图像。它帮助确定哈勃常数。哈勃常数描述当前宇宙膨胀速度。测量哈勃常数有多种方法。不同方法结果略有差异。这被称为“哈勃张力”。解决这个差异是当前研究热点。

詹姆斯·韦伯空间望远镜已经升空。它比哈勃望远镜更强大。它主要观测红外波段。红外波段对高红移天体更敏感。它能够看到宇宙最早期的星系。它正在传回令人震惊的图像和数据。

中国也开展了相关研究。郭守敬望远镜进行光谱巡天。它获取了海量恒星和星系光谱。这些数据用于研究银河系结构和宇宙膨胀。中国还参与平方公里阵列射电望远镜等国际项目。

宇宙膨胀的未来有多种可能。暗能量可能持续作用。宇宙可能一直加速膨胀下去。星系之间距离越来越远。最终宇宙变得寒冷黑暗。另一种可能是膨胀速度改变。这取决于暗能量的性质。科学家正在收集更多数据。

红移是宇宙学的基础概念。它连接了观测和理论。它告诉我们宇宙的历史和命运。它激发人们的好奇心。人类从地球望向深空。我们看到的星光经过漫长旅行。星光中的红移信息记录了宇宙的膨胀史。理解红移就是理解宇宙本身。

参考文献哈勃，埃德温（1929）。《河外星云距离与径向速度的关系》。美国国家科学院院刊。彭齐亚斯，A.A.；威尔逊，R.W.（1965）。《在4080兆赫处多余的天线温度测量》。天体物理学杂志。里斯，亚当等人（1998）。《从高红移超新星观测看加速宇宙》。天文学杂志。普朗克合作组（2018）。《普朗克2018年结果》。天文学与天体物理学。韦伯，约翰等人（2022）。《詹姆斯·韦伯空间望远镜早期科学成果》。自然。