【凌晨科普】第四帖：测宇宙的年龄——哈勃的红移法
Q：为什么是【凌晨】科普呢？
A:因为楼主人现在在美帝，时间是凌晨三点，东西写完睡觉。
Q：【第四帖】？
A：是的！为了普shui及shui知jing识yan，楼主每个周末发一个帖子，科普一个天文主题，这是第四次
第一个帖子的链接：http://tieba.baidu.com/p/4841429282?pn=1
第二个帖子的链接：http://tieba.baidu.com/p/4849935615?pid=99920027913&cid=0#99920027913
第三个帖子的链接：http://tieba.baidu.com/p/4858851302?pid=100159411350&cid=0#100159411350
楼主在美国读的大学，专业是物理，minor是天文。因为我学的时候都是英文，个别术语可能翻译得不恰当，请多见谅
A:因为楼主人现在在美帝，时间是凌晨三点，东西写完睡觉。
Q：【第四帖】？
A：是的！为了普shui及shui知jing识yan，楼主每个周末发一个帖子，科普一个天文主题，这是第四次
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楼主在美国读的大学，专业是物理，minor是天文。因为我学的时候都是英文，个别术语可能翻译得不恰当，请多见谅
今天楼主介绍一下人类对宇宙年龄做出相对可靠的估计的最早的办法：
测量星系的距离与红移，然后利用哈勃定律测算哈勃常数，并得出宇宙年龄的估算。
而这一切，要从 什么是【红移】开始。
测量星系的距离与红移，然后利用哈勃定律测算哈勃常数，并得出宇宙年龄的估算。
而这一切，要从 什么是【红移】开始。
实验测量以及相对论指出：
无论你与光源的相对速度如何，你测得的光速永远不变。
所以光速是定值，不会改变。
但是当光源向你靠近时，你会发现光的频率变大了，因为你每秒接收到的光的波动变多了。
又由于波长等于光速除以频率，而光速恒定不变，波长就会减小。
结合5楼的图，我们会发现这个光变得比原来更【蓝】了，我们称之为【蓝移】。
反之，如果光源在远离你，你看到的光的波长就会增大。
光就会变得【更红】，也就是【红移】，如图：
（啊所以远离，波就会变大，妹子们知道怎么丰胸了嘛）
无论你与光源的相对速度如何，你测得的光速永远不变。
所以光速是定值，不会改变。
但是当光源向你靠近时，你会发现光的频率变大了，因为你每秒接收到的光的波动变多了。
又由于波长等于光速除以频率，而光速恒定不变，波长就会减小。
结合5楼的图，我们会发现这个光变得比原来更【蓝】了，我们称之为【蓝移】。
反之，如果光源在远离你，你看到的光的波长就会增大。
光就会变得【更红】，也就是【红移】，如图：
（啊所以远离，波就会变大，妹子们知道怎么丰胸了嘛
）
因此，如果一个星系在远离我们，它就会红移。
具体表现在光谱上，如图：
横轴是波长，单位是10^-10米。
我标了绿点的俩凹槽，是CaK 和 CaH 的吸收光谱。
但是他俩的波长比它们的理论值（下面标的小黑线）要长，这就是观测到的红移！
具体表现在光谱上，如图：
横轴是波长，单位是10^-10米。
我标了绿点的俩凹槽，是CaK 和 CaH 的吸收光谱。
但是他俩的波长比它们的理论值（下面标的小黑线）要长，这就是观测到的红移！
在天文学家 哈勃（Edwin Powell Hubble）以他的理论问世前，
人们一直以为宇宙无限大，相对静态地已经存在了无数年，并还将存在无数年。
这其中包括了 牛顿 这样的科学大触，即使牛顿理论暗示了宇宙不可能是无限大的静态（否则所有物质会倾向于坍缩到一块去），但是牛顿坚持认为一定是自己错了，而宇宙一定是无限大的，存在无数年的。
若如此，那宇宙的年龄就是无限大，而各位星系有一半几率正在靠近我们，一半几率正在远离我们。
换言之，我们应该观测到一半的星系在红移，一半的星系在蓝移。
人们一直以为宇宙无限大，相对静态地已经存在了无数年，并还将存在无数年。
这其中包括了 牛顿 这样的科学大触，即使牛顿理论暗示了宇宙不可能是无限大的静态（否则所有物质会倾向于坍缩到一块去），但是牛顿坚持认为一定是自己错了，而宇宙一定是无限大的，存在无数年的。
若如此，那宇宙的年龄就是无限大，而各位星系有一半几率正在靠近我们，一半几率正在远离我们。
换言之，我们应该观测到一半的星系在红移，一半的星系在蓝移。
因此，当哈勃在一九二几年时发现，几乎所有的星系都在红移时，他震惊了
这意味着，几乎所有的星系都在离我们远去！
在什么情况下，一个点会远离其它所有点？
想象一个黑气球，上面满是白点，当你吹起气球时，每个白点和每个其它白点的距离都会增加！
所以结论是，宇宙正在膨胀，而且宇宙的年龄是有限的。
这意味着，几乎所有的星系都在离我们远去！
在什么情况下，一个点会远离其它所有点？
想象一个黑气球，上面满是白点，当你吹起气球时，每个白点和每个其它白点的距离都会增加！
所以结论是，宇宙正在膨胀，而且宇宙的年龄是有限的。
而且，哈勃真是 【厉害了我的哥】，他甚至发现离我们越远的星系，远离我们的速度就越快！
【星系的远离速度】和【它与我们的距离是正比】，公式是
V=Hd
V为远离速度，H为哈勃常数，d为星系与我们的距离。
这就是 【哈勃定律】，银河外天文学的重要基石。
【星系的远离速度】和【它与我们的距离是正比】，公式是
V=Hd
V为远离速度，H为哈勃常数，d为星系与我们的距离。
这就是 【哈勃定律】，银河外天文学的重要基石。
因此，要计算H的值，我们得知道V和d。
d是星系与我们的距离，测量方法我曾在我的科普第一帖：
http://tieba.baidu.com/p/4841429282?pid=99689095051&cid=0#99689095051
里讲过，不过还有一种【粗糙】的方法
d是星系与我们的距离，测量方法我曾在我的科普第一帖：
http://tieba.baidu.com/p/4841429282?pid=99689095051&cid=0#99689095051
里讲过，不过还有一种【粗糙】的方法
粗糙的办法就是：直接测星系的直径占的角度。
科学家发现，绝大多数星系直径都在22000秒差距左右（1秒差距=3.26光年）
灵魂画师又来辣：
俩星系直径相同，AB=CD，AB离我们更近。
近大远小嘛，显然 角AOB 大于 角COD。
星系越远，这个角越小，因此只要测量这个角的大小就能得到这个星系的大概距离了。
当然之所以说这是【粗糙】的办法，是因为这样测距离误差不小，不过极为方便就是。
科学家发现，绝大多数星系直径都在22000秒差距左右（1秒差距=3.26光年）
灵魂画师又来辣：
俩星系直径相同，AB=CD，AB离我们更近。
近大远小嘛，显然 角AOB 大于 角COD。
星系越远，这个角越小，因此只要测量这个角的大小就能得到这个星系的大概距离了。
当然之所以说这是【粗糙】的办法，是因为这样测距离误差不小，不过极为方便就是。
有了d，我们还需要V，也就是星系远离我们的速度，这就要借助红移的测量了。
红移的值：Z=（红移波长-原波长）/ 原波长。
还是以星系NGC1357为例：
Cak的红移波长，也就是第一个绿点，是3961.4
它的理论/原波长，也就是第一个小黑线，是3933.7
红移Z=（3961.4-3933.7）/ 3933.7=0.00704
红移的值：Z=（红移波长-原波长）/ 原波长。
还是以星系NGC1357为例：
Cak的红移波长，也就是第一个绿点，是3961.4
它的理论/原波长，也就是第一个小黑线，是3933.7
红移Z=（3961.4-3933.7）/ 3933.7=0.00704
另一个公式：Z=V/C
Z是红移，V是远离速度，C是光速。
我们就能得到V了。
再提一次哈勃定理：
V=Hd， 现在我们有了V，有了d，就能算出哈勃常数H了！
Z是红移，V是远离速度，C是光速。
我们就能得到V了。
再提一次哈勃定理：
V=Hd， 现在我们有了V，有了d，就能算出哈勃常数H了！
那哈勃常数H有什么卵用呢？
我们来看它的单位：(km/s)/Mpc，（千米每秒）每百万秒差距。
这是一个（长度/时间）/长度 的定值，化简一下，就是时间。
如果宇宙是以一个相对恒定的速率，那H就是宇宙的年龄！
不过我们得统一一下单位：一秒差距是3.1*10^19米，一年是3.2*10^7秒。
把H乘上3.1*10^19再除以3.2*10^7，就是以【年】为单位的宇宙年龄了！
我们来看它的单位：(km/s)/Mpc，（千米每秒）每百万秒差距。
这是一个（长度/时间）/长度 的定值，化简一下，就是时间。
如果宇宙是以一个相对恒定的速率，那H就是宇宙的年龄！
不过我们得统一一下单位：一秒差距是3.1*10^19米，一年是3.2*10^7秒。
把H乘上3.1*10^19再除以3.2*10^7，就是以【年】为单位的宇宙年龄了！
我自己统计过18个星系，并重复了哈勃的工作，测了一下哈勃常数,如图：
横轴是d（星系距离），竖轴是V（远离速度），
算出来的平均值H是79.421，算出的宇宙年龄是123亿年。
当然啦，H是实际值是67.80±0.77，宇宙的实际年龄是137亿年。
我的误差主要是因为我用了13楼的【粗糙】的办法算的星系距离
所以这点差距也可以理解啦！毕竟还是同一个数量级
横轴是d（星系距离），竖轴是V（远离速度），
算出来的平均值H是79.421，算出的宇宙年龄是123亿年。
当然啦，H是实际值是67.80±0.77，宇宙的实际年龄是137亿年。
我的误差主要是因为我用了13楼的【粗糙】的办法算的星系距离
所以这点差距也可以理解啦！毕竟还是同一个数量级
到这里，这个帖子就算更完辣！
我再贴一下之前三个帖子的传送门：
第一个帖子的链接：http://tieba.baidu.com/p/4841429282?pn=1
第二个帖子的链接：http://tieba.baidu.com/p/4849935615?pid=99920027913&cid=0#99920027913
第三个帖子的链接：http://tieba.baidu.com/p/4858851302?pid=100159411350&cid=0#100159411350
又写到了凌晨五点，说实话还是很费精力的，要想办法把复杂的问题解释清楚点啊什么的。
楼主也到了本学期的最后一个月了，比较忙，以后可能也不会再更了
不过写这些个科普帖虽然累，但是看到大家的回复和支持真的很开心！谢谢各位吧友！【鞠躬】
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又写到了凌晨五点，说实话还是很费精力的，要想办法把复杂的问题解释清楚点啊什么的。
楼主也到了本学期的最后一个月了，比较忙，以后可能也不会再更了
不过写这些个科普帖虽然累，但是看到大家的回复和支持真的很开心！谢谢各位吧友！【鞠躬】
各位抱歉，在18楼我写错了！误导了大家！H的单位应该是1/时间，不是时间。宇宙的年龄应该是1/H乘上3.1*10^19再除以3.2*10^7