23.萊曼森林

哈勃看到的遙遠的天體，都伴隨著巨大的紅移。開始哈勃認為這些紅移應該是多普勒效應造成的。到現在為止，很多科普類書籍上還是這麼描述。不少科普宇宙大爆炸的紀錄片還會用聲音的多普勒效應來給你做個演示。比如我看到的國外著名的科普頻道的紀錄片在描述紅移的時候。常常會用飛馳而過的汽車來當作例子。汽車開著直奔你而來，同時按著喇叭。然後從你身邊擦身而過。你會明顯聽到，汽車喇叭的音調有個突變。越過你的那一刻，聲音開始變調，一下子變低了。然後科學家也會告訴你說，光波跟這個類似。星球向著你飛來的時候，光波頻率升高。遠離你的時候，頻率就降低了。我們的確是看到不少天體有這種現象。發現太陽系外行星也可以靠這個辦法發現微小的前後晃動。但是，大尺度上的宇宙學紅移。並非多普勒效應。我看過去全套的哈勃紅移計算過程。光波的拉長因子，就是宇宙的尺度因子。宇宙不變化，那麼光波的波長在飛的過程中也不變。宇宙在膨脹，那麼波長就會拉長。這跟方向無關。隨便往哪個方向的光線都一樣。因為宇宙的尺度因子跟時間有關係。隨著時間的流逝，宇宙的尺度越來越大。宇宙學紅移也是這樣的。光子離開那個星球的時候，波長其實沒變化。一邊兒飛一邊被拉長。因為宇宙在漸漸的膨脹。飛到我們眼睛裡，被我們看見了。多普勒效應跟這個就不一樣。假設發生的是多普勒效應，也就是那個天體真的在跑。那麼自打光子離開那個星球，波長就已經一步到位，降下來了。而不是在跑的過程中逐步降低的。

從這一點，我們也能夠體會到。宇宙的膨脹過程並不是那些天體真的在跑。而是彼此之間的空間尺度在增長。換句話來說那就是空間在咕嘟咕嘟的從彼此之間湧出來。

萊曼森林產生原因示意圖

那麼有觀測證據嗎？有的，有個觀測類星體常見的現象，叫做「萊曼森林」。也叫萊曼線叢。去類星體的光譜裡面辨識一下，發現好多組氫的吸收線。而且不在同一個光譜位置上。這是怎麼回事兒呢？一般是這麼解釋的。類星體的光在飛向我們的過程中，遇到了好幾片冷暗的氫氣雲。這些氫氣雲自己不發光，我們沒法直接看到。但是他們會在類星體發出的光線上留下吸收譜線。因為類星體夠亮，能看得清楚。而且夠遙遠，這樣碰上中間有人插隊的概率也比較大。光飛向我們，一邊飛一邊的頻率下降，類星體自己的譜線就開始向紅端移動了，這時候，半道兒遇上了一片氫氣雲，然後留下了吸收譜線。那麼這道吸收譜線跟類星體原本的吸收譜線就不在一個位置上。同樣的，光繼續飛，波長繼續被拉長，因為宇宙在膨脹，又碰到一片氫氣雲，再次被刻划了吸收譜線。跟前兩道也不是劃在一個地方。反正等到光飛到我們眼裡的時候，被我們探測到。我們一看，好傢夥，氫的吸收譜線有一大堆。數一數就能算出來路上遇到幾波插隊的。看看位置還能知道大概他們都在多遠的距離上。這一大串的吸收譜線，就被稱為萊曼alpha線叢。也叫alpha森林。假如哈勃紅移是多普勒效應，那麼光波飛離天體，頻率就已經一步到位降下來了，飛的過程中頻率不變，那麼這麼多次碰上插隊的，譜線應該劃在同樣的地方。現在顯然不是這麼回事兒。

所以呢，這是一個需要澄清的概念，宇宙級別的大尺度上宇紅移，不是多普勒效應。而是因為宇宙的膨脹逐步拉長的。無論是從廣義相對論的計算上還是天文的實際觀測上。都可以證明這一點……

愛因斯坦最早預言了引力波的存在。引力波涉及到引力的量子化問題。假如引力波是存在的，那麼引力必定可以量子化。電磁波就可以量子化，量子化以後就得到了光子。引力波量子化以後，也會得到引力子。那麼四種基本的力就可以建立統一的模型。整個宇宙的大統一理論也就有望建立。愛因斯坦後半輩子，也就在鼓搗這玩意兒。但是一輩子也沒搞定。霍金他們計算霍金輻射啦、黑洞啦，之類的都是用的彎曲時空量子場論。因此引力無法量子化。不得不退而求其次。現在好多個理論。比如熱門的弦論，就是個大統一理論。基本就是奔著一勺燴去的。還有圈量子理論，也是要把引力問題各解決。好處是比弦論稍微簡單點兒。但是只走到引力量子化這一步，並不是一個大統一理論。這東西到現在也沒個定論。要是能在宇宙裡面檢測到引力波就好了。

脈衝雙星

科學家們在太空觀測中發現了脈衝雙星。他們相互圍著轉。要知道脈衝星都是中子星。直徑10公里上下，密度大的驚人。兩顆脈衝星圍著互相轉，可就有條件靠的很近，因為這兩個傢伙體積都很小。那麼必定轉的很快，互相圍繞著發瘋地轉。那麼按照引力波理論，這兩個傢伙應該有引力波輻射出來。所以呢，他倆互相圍著轉的能量就損失了。那麼會越來越近。最後總會撞到一起。目前探測下來，脈衝雙星的變化規律跟引力波符合的很不錯。，這也是個重要的旁證。這不是直接證據。

要是能直接觀測引力波的話，那就太好了。好多國家的好多實驗室都在檢測引力波。但是這麼多年了，啥都沒檢測到。到底是靈敏度不夠呢，還是其他啥原因？或者是引力波根本就不存在？那可麻煩了，那理論物理可就又出大事兒了。

引力波到底怎麼檢測呢？其實這只是個簡單的幾何學問題……