关于多普勒频移

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普林斯顿公学五年级教室
汤普森先生从门外走上讲台,看着坐得满满的教室,今天来的孩子还真不少,显然大家虽然对数学不太感兴趣,宇宙的号召力还是很大的。
一个大大红箭头极为突出地指向教室正中的一个空座位。现在正是那个学生居住星的夜间,他们家溺爱这个酷爱天文的孩子,居住在橙光星系阿尔法行星的外卫二。那个星系位于银河系的边缘,外卫二上更是百分之九十以上的时间都不受橙星的光照,因此星空视野极其广阔,是全联邦天文怪才们的梦想家园。从那些各式各样比联邦夸克望远镜先进多了的仪器里看到的星空,真实,唯美,震撼人心,相比之下,网络教室的模拟宇宙课件自然是逊色多了。
汤普森开始上课。
“大家已经在上一次构建过银河系的模型了,今天我们要讨论宇宙大爆炸的可能性,”汤普森的面前浮现出几个小物体,他在一颗黄色的小球上按了一下。
教室瞬间发生了变化,桌椅消失了,每个孩子们都身处于虚空之中,极远处,一颗黄色光的恒星在闪烁,转眼间,恒星以接近光速向孩子们飞来,黄光变成了绿光,随即又以同样的速度回退,绿光一下子又变成了红光。
“当恒星与我们之间的距离不变时,你看到的会是它本身的黄光,波长并不改变,而当它运动着向我们靠近时,波长会由于相向的运动而变短,于是黄光在光谱中蓝移,变为了绿光。一旦它离我们飞速远去,波长会由于相反方向的移动而拉长,于是发生光谱的红移,成了红光。”
汤普森接着在一颗小星云上按了一下,孩子们的四周出现了浩瀚的星空,大家正处在地球的位置上,好几个孩子开始兴奋地在银河系中寻找自己家所在的星系。汤普森停了一小会儿,等孩子们来静下来。
几副光谱图出现在远处的几个大星系上,而银河系的几个星系的光谱图也浮现了出来。
“古人早就发现,与银河系的光谱线族相比,其它星系的谱线都会移动,有的红移,有的蓝移。根据前面你们看到的情况,说明它们有的在向我们的母星接近,有的在远离。”
更多的光谱图出现在宇宙边缘,很明显的,绝大部分的都在红移,而一条光谱图的阵列从宇宙边缘一直延伸到银河系,更为明显的是,越远的星系红移得越多。“你们能得出什么结论?”
“原来宇宙膨胀论是这么得到的”
“结论是越远的星星逃离我们的速度越快”
“这不就是多普勒频移吗?古代雷达的原理,宇宙战舰必学第一课,还以为有什么好玩的东西呢。”
孩子们七嘴八舌地回答着。
“是的,由此古人发现了宇宙是膨胀的,”汤普森再在一个黑球上按了一下。孩子们又回到了教室,讲台后出现了密密麻麻的公式。“这是上学期恒星学的论文,你们都算出来了,坍塌的恒星会在引力下变为黑洞,也就是我们数学上的奇点。同样,既然宇宙是膨胀的,又是以什么为起点开始膨胀的呢?下面我们看一看古人的宇宙膨胀模型。”

讲台前出现了三个亮点。第一个先开始变化,从一个点膨胀成一个球,可以看到球是由无数星云组成的,随着球的膨胀,星云变成了星系,彼此之间的距离也越来越远。到球增大到一米直径左右时,膨胀的速度变慢了,似乎停滞了好一会儿,球又开始收缩,星系撞击在一起,球里面迸发出星星点点的火花,无数的空间扭曲和黑洞虫洞交织,最后以惊人的速度重新回到一个光点。
紧接着,另两个光点也开始变化,都是膨胀,但明显比第一个快多了,第二个球在到达一米左右时膨胀已变得很慢,但既没有停止也并没有收缩,而第三个球还在疯狂地长大,已经把教室前部都挡住了。
“完了,老师这次的课件又出bug了,快闪。”
“看来老师这学期还是回不去太空局。校长肯定还会罚这个太空局的专家再上一个月的基础理论课,嘿嘿。”
“老师是不是想重现他最著名的逃离黑洞啊?”
“嘻嘻,这次是逃离膨胀的大宇宙,厉害厉害。”
讲台再次出现在大家面前,而膨胀着的宇宙则成为了黑板上的背景。汤普森完好无损地站在那里继续讲课。
“第三个球是无限膨胀宇宙模型,大家自然知道,近代的天文观测和数学计算已经算出了当前宇宙的密度,并证明了第一种才是我们所处宇宙的模型。所以,我们的宇宙是一个有始有终的宇宙,以大爆炸起于奇点,又以大湮灭回归奇点,中间经历膨胀和收缩的过程。而我们现在正处于膨胀快到临界点的宇宙里。”
“好了,这一次的作业还是数学题,大家回去证明我们的宇宙在膨胀前的起点和引力边界条件,重现模型之后一起发给我。提示一下,与上一次恒星运算的时间变量有关系。”汤普森正要宣布下课,那个空位置上的红箭头消失了,继而出现一个红光急速闪动的问号,是紧急课堂提问。
“老师,宇宙快要毁灭了!”一个带着点哭音的童声从座位上响了起来。四座哗然,嘻笑声此起彼伏。
汤普森皱了皱眉头,这孩子是不是刚从噩梦里醒过来?
那个孩子急急忙忙地继续说,“我已经把观测结果发给你了。上个月我按照你的建议改造了望远镜,所以这几个星期我都在观测最远的几万个河系,刚才望远镜的智能系统终于把所有的观测结果统计出来,红移停止了!”
汤普森笑了笑,对别的学生们宣布下课,教室又变成了刚才出现过的宇宙,不同的是只有最远处的若干星系上有光谱图。突然,汤普森的笑容在唇边凝固了。正如那个孩子所说,几乎所有的谱线都没有红移,甚至还有个别的出现了小尺度的蓝移。
宇宙已经开始收缩了?!
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