1948年，我獲得了加州理工學院的物理學博士學位。現居住於加州雷德蘭茲的一個退休社區裡。應社區邀請，我每兩周會做一次關於天文學的講座。有人問過一個問題：如何確定宇宙的年齡，又如何確定宇宙到遙遠星系的光年(或公裡)距離呢？對此我也有些疑惑。
我知道紅移決定了衰退速度，但我不明白它與距離的關係
有一個簡單的答案和一個複雜的答案。
簡單的答案是：人們已經知道，到一個星系的距離與它的後退速度成正比。這就是所謂的哈勃定律，20世紀20年代末，哈勃望遠鏡的觀測實現了對它的論證。事實證明，如果假設宇宙是均勻和各向同性的(我們認為確實如此)，那麼哈勃定律也可以通過理論來預測距離。
星系後退速度與星系距離的比例常數稱為哈勃常數。自從「哈勃常數」這個術語被創造出來以來，天文學家們就一直試圖測量它：最簡單的方法就是觀察星系的後退速度，而星系的後退速度是通過其他方法來得知的(比如觀察變星的周期)。目前對哈勃常數的最佳估計是每秒20公裡，所以一個後退速度為每秒2000公裡的星系距離100百萬光年，依此類推。
因此，我們可以利用哈勃定律，通過簡單地測量星系的紅移來確定星系的距離，這是一件相對容易的事情，即使對於非常遙遠的物體也是如此。我們還可以估算宇宙的年齡：你會注意到哈勃常數的單位實際上是1/時間，所以1/哈勃常數一定是宇宙的特徵年齡。根據上面的哈勃常數，我們計算出宇宙大約有140億年的歷史。
現在讓我們來看看複雜的答案：事實證明，對於「非常」遙遠的物體(比如紅移為2或更大的物體)來說，哈勃定律並不適用。因為在非常遙遠的距離上，我們必須開始考慮宇宙的(四維)曲率。一個更重要的影響因素是，在大多數宇宙學中，哈勃常數並不是一個真正的常數：它實際上隨著時間的推移而增加，所以它的值在紅移5的星系中與今天不同。
圖解 ：質量龐大的星球上所發出的光遠離星球時，會發生紅位移——從藍色偏到紅色。
所以，得到的估計距離星系和宇宙的年齡，天文學家必須假設宇宙的一組宇宙學參數(例如，它所包含的「正常」物質的總量)和模型其年齡和距離的星系紅移的函數通過整合宇宙進化的運動方程。他們得到的答案與我們之前估計的沒有太大的不同，但是對於了解高紅移的星系是很重要的(例如，提取它們的大小線性地取決於它們的距離，它們的質量取決於距離的平方)。
圖解：上圖右側為遙遠的星系在可見光波段的光譜，與圖左側太陽的光譜比較，可以看見譜線朝紅色的方向移動，即波長增加（頻率降低）
然而，從所有的意圖和目的來看，哈勃定律是一個非常強大的工具，可以從速度推算出距離(課堂上對這個問題的講解可能也就到此了)。
圖解：光源相對觀測者的運動導致紅移和藍移
相關知識閱讀
後退速度指一個天文物體離開某個星球的速度，這個星球通常是指地球。它可以通過譜線的移動來測量，也可以通過星系光譜的普遍變紅來估計。
我們星系外的星系經常用相對於宇宙微波背景的後退速度的來進行推算。
圖解：宇宙的最終命運和宇宙的年齡，可以取決於測量現今的哈勃常數和推斷減速參數的觀測值，此參數特具密度參數值（Ω）的特徵。所謂的「封閉宇宙」（Ω＞1）即將在一次「大緊縮」（Big Crunch）後結束，比哈勃年齡年輕。「開放宇宙」（Ω≦1）永遠都在擴張且具有較接近哈勃年齡的年齡。我們所居住的宇宙為「加速宇宙」（accelerating universe），其年齡正巧非常接近哈勃年齡。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3.astro-Hope
如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除
轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處