这个话题的本质是宇宙不同尺度上的运动方式以及主导力量的不同,在我们日常了解中,天体的运行主要是受到引力的作用,而在质量中心的引力作用下,天体沿着测地线运动,这就是我们熟悉地球环绕太阳公转的过程!
人类对于引力认识的过程
其实引力的认识要从地心说开始说起,尽管早期我们并不知道这是一种让天体运行的强大力量,但离开了地心说的引力认识历史是不完备的!
古希腊天文学家托勒密在前人的基础上总结出了以地球为中心的天体运行论,简称地心说,当然我们现在知道它是错的,但这个理论相当精密,因为托勒密为解决天体运行的错误轨道设置相当多的晕轮来修正,使得这个理论计算极为繁杂,却又是有效的,甚至可以作为航海导航使用!
因此地心说延续1500多年,直到哥白尼开始怀疑,他观测了行星的轨道后总结出了日心说,在日心说下太阳系各颗行星的轨道井井有条,原来上百个晕轮大大下降,缩减了计算量,因为日心说更贴近事实,但哥白尼并没有发现行星的椭圆轨道,因此在哥白尼的日心说中仍然存在修正。
之后开普勒在他的老师第谷的大量资料中总结出了行星椭圆轨道事实,总结出了行星三大定律,使得行星轨道计算日渐精密,再也不需要晕轮来辅助修正,简单的说,开普勒解决了行星是怎么运动的!
牛顿则在这些基础上,辅以自己的发现,推出了万有引力定律,解决了天上的星星为什么会这样运动,当然牛顿在引力的传递上却走了个误区,但牛顿走到这里已经是一个划时代的进步了。
此后三百年里科学家们添砖加瓦,将牛顿力学盖成一座伟大的经典力学大厦!但有一个问题仍然没有解决,引力到底是靠什么传递的,这是一个问题,因为牛顿解释成以太,但随着科学的进步以太的问题越来越严重,比如水星进动无法解释,迈克尔逊莫雷的以太漂移零结果实验无法解释。
终于到了20世纪初,爱因斯坦的狭义相对论解决了迈克尔逊莫雷的以太漂移零结果,广义相对论则解决了水星进动问题,广相中以质量弯曲时空的方式来解释引力的传递,因此水星进动的原因是椭圆轨道在弯曲空间中经过的时空曲率不一样所致,而其他行星则由于轨道直径很大,影响不明显(其实水星也不明显,勒维耶非揪着不放哈)
关于广义相对论,惠勒说的比较容易理解:“质量告诉时空怎么弯曲,时空告诉质量怎么运动”!一句话简明扼要就把事情说清楚了!
广义相对论下的太阳系和银河系运动
太阳占了整个太阳系质量的99.86%,因此它所产生这个时空弯曲是一个很有趣的结果,太阳基本位于中央,然后每颗行星都在这个弯曲的时空中运行,而且每颗行星周围又有自己弯曲的时空,又有卫星在围绕运转,卫星周围又有弯曲时空,它们互相影响,互相纠结,这辈子休想解离!
如果从弯曲时空的角度来观测质量所弯曲的宇宙空间的话,坑坑洼洼来形容也许非常合适,因为有大质量天体引起周围时空的凹陷,也有没有质量的平坦虚空!
这就是广义相对论下的时空,每一个凹陷都是一个大质量天体的引力范围,而宇宙中到处都是这样的凹陷。在时空弯曲的凹陷中,在银河系的范围内,这些质量都还能顺着明显的,有闭合曲线的测地线运行,比如太阳系仍然还在围绕银心公转,只是这个大致闭合的椭圆曲线周期高达2亿年以上,但当这个尺度再加大时,那么它们的曲线可能不再闭合!
更大尺度上引力主导的星系运动
在本星系群和超星系团的运动就是这种典型,因为在距离银河系大约2.5亿光年外的就有一个还不是很清楚性质的超强引力源,这就是1986年才发现的巨引源!位于长蛇座与半人马座方向,在这个方向上有很多古老的星系正在与邻近的星系碰撞。
巨引源所在的矩尺座星团刚好被银心核球所遮挡,导致巨引源的所有信息都无法穿透银心,因此巨引源的性质我们难以获知,但我们知道,银河系正以每秒大约600-800千米的速度冲向巨引源,就像我们开着一辆车,但前挡风玻璃却被一张海报贴住了,只能从两边窗户看我们到底走到了哪里!
无论巨引源都遥远,但在引力主导的时空中,质量的路线永远都是测地线,也许这是一个闭合的椭圆轨道,也可能是抛物线轨道,也有可能是双曲线轨道,但本质都是一样的!
宇宙尺度上的运动主导
哈勃在1929年就发现了宇宙膨胀,他当时测量的速度是550千米/秒·百万秒差距,和2013年普朗克卫星测量的数据67.15千米/秒·百万秒差距似乎有点大,但本质是一样的,宇宙在一定的尺度上表现的就是膨胀!根据这个理论,再结合普朗克卫星的数据,我们能计算出巨引源离去的速度大约是4400千米/秒,银河系靠近的速度是600-800千米/秒,很明显是一个永远都跟不上的速度,所以我们不用担心银河系会掉入巨引源!
其实这样还是一个美好的世界,我们发现了宇宙正在以某个相对确定的速度膨胀,但这个梦很快就被打破,1998年,两个观测遥远星系Ia超新星红移的小组不约而同的发现,宇宙正在加速膨胀,根据这些Ia型超新星的远近距离判断,宇宙大约在45亿年前就开始了加速膨胀。
这样的宇宙如你所想吗?简单的说以前的膨胀还让天文学家抱有一丝希望,即宇宙也许在达到某个平衡点后开始收缩,重新回到奇点,但加速膨胀的发现彻底掐灭了这个念头,宇宙是一张单程票,它只有一个开始,也只有一个结尾,人类只是匆匆过客而已!当然各位不必担心,无论是能回到奇点还是未来走向彻底黑暗,对于人类其实都是一样的!