宇宙膨胀-旅行到时空边缘

第18章　膨胀

宇宙膨胀会让我越来越胖吗

伟大的会面

1930年的最后一天，“贝尔根兰德号”豪华游轮停靠在美国西海岸圣迭戈码头，元旦新年的华丽铺张骤然为之逊色，就连帕萨迪纳玫瑰碗年度美式足球赛也罕见地被夺去了光彩，媒体和公众的注意力都被吸引到轮船上一位著名人物身上了。

爱因斯坦夫妇结束了在“贝尔根兰德号”那3间布满鲜花的特等舱里长达一个月的海上旅行，走下轮船。获得特许的100名记者和摄影师立即包围上去。在一刻钟内，爱因斯坦被要求用一个词定义第四维，用一句话说明他的相对论，发表对禁酒的观点，对宗教的看法，对时事政治的评论，以及他的小提琴优点；接下来是追求亲笔签名者、东道主人民、神魂颠倒的妇女以及形形色色的怪人从四面八方围住他。爱因斯坦那忧郁的褐色眼睛，从前额向后梳着的散乱白发形象立即红遍美国大街小巷。

爱因斯坦此行的主要目的地之一是威尔逊山天文台，那里刚刚完成一项宇宙学重大发现—哈勃定律。哈勃是伟大的宇宙观测学家，他本人尚不明白自己定律的意义；爱因斯坦是伟大的宇宙理论学家，他深知这个定律揭示的宇宙学意义。他们两人的工作将颠覆有史以来所有人类对宇宙的认知，并带给人类全新的宇宙图景。

那时通往天文台的道路曲折泥泞，人员上山和货物一样搭乘货车，这被认为对爱因斯坦很不合适。一向以吝啬出名的台长亚当斯专门购买了一辆大型豪华游览车，身材矮小的爱因斯坦坐在后部皮座中央，哈勃和亚当斯陪坐在左右两边。

午宴后，爱因斯坦来到了100英寸（2.54米）胡克望远镜圆顶室，瞻望这架巨大的天眼。在现场人们惊讶慌张的注视下，爱因斯坦爬上望远镜高高的钢架，兴致勃勃地向大家讲述望远镜每样设备的用途，这再次让大家惊讶，即使对一名训练有素的天文学家来说，这也不是简单的事情。爱因斯坦的夫人埃尔莎被告知，胡克大望远镜主要用来测定宇宙的结构，她立即回答：“哦，就是我丈夫在旧信封背面做的那种工作。”

夜幕降临，繁星闪烁。爱因斯坦用胡克望远镜观测了木星、火星、爱神星，好几个星云，以及天狼星的伴星。爱因斯坦对这最后一个天体特别感兴趣，因为它的光谱照片证实了相对论的引力红移预言，并由此导出了这颗恒星令人吃惊的密度—1立方厘米超过1吨！直到夜里1点钟，爱因斯坦才恋恋不舍地离开圆顶室。

在另一个黑暗的冬夜，爱因斯坦乘车去威尔逊山南部一片平坦的原野，那里有迈克尔逊著名的测量光速装置，早已退休的迈克尔逊专程赶赴那里与爱因斯坦会面。迈克尔逊给爱因斯坦展示了自己测量光速的装置：一个有32块镜面的反射镜高速旋转，光线在长达1英里的真空管里来回反射。迈克尔逊是爱因斯坦崇拜的英雄之一，他所测量的光速，以及失败的“以太漂移”实验，正是狭义相对论的基础，但眼前的迈克尔逊老迈而且病态。迈克耳逊望着眼前的科学巨人，也是感慨万千，他至今心中依然怀疑甚至有些厌恶相对论。在这个神秘而荒凉的地方，尽管夜晚寒冷，两个科学伟人都不急于离去。几个月后，迈克尔逊在帕萨迪纳去世。

最后，爱因斯坦在加州理工学院作了演讲，宣称放弃自己坚持的稳恒宇宙思想，哈勃有关星系红移规律的发现，实质上表明了宇宙在膨胀！

爱因斯坦的声明震惊了所有天文学家，也使在场的新闻媒体感到错愕，那时虽然哈勃定律已经发表，人们对宇宙膨胀这样的观念还是感到非常茫然。爱因斯坦的声明使哈勃立即成为众星捧月式的人物，他的哈勃定律是20世纪最伟大的宇宙学发现！威尔逊山也从一块天文学家的宁静之地，很快变成一个喧闹的旅游胜地。在晴朗的星期天和假日，参观人数一下子从几百人增加至数千人。那些日子里，宇宙膨胀甚至成为美国街谈巷议的主要话题。

爱因斯坦的宇宙模型

爱因斯坦是从1916年开始将广义相对论运用于宇宙学研究的，1917年，他发表了第一个现代意义的宇宙模型—一个有限无边界的宇宙。在这个宇宙模型里，现实的三维空间是无界的，它既没有中心，也没有边界，无论向哪个方向走都永远走不到尽头。但是，由于宇宙中到处充满着物质，这就存在引力场，根据相对论，宇宙的三维空间是弯曲的，爱因斯坦认为一个有曲率的三维空间是一个有限空间，因而宇宙是有限的。

为了帮助人们理解这个有限的宇宙，爱因斯坦举了一个生动的例子。在一个球的表面上有一只充分压扁的臭虫，它是二维的，身体没有任何厚度。这只臭虫可能有足够的理智，会写书，能研究二维世界里的物理学，但它所处的宇宙是一个二维空间的宇宙，凭它的直觉和想象，不可能理解第三维。它在整个球面上，可以向任何方向爬行，却永远都爬不到尽头，也找不到哪里是宇宙的中心，因为球面上并没有一个中心。但是从三维空间看，它所处的宇宙显然是一个有限的弯曲的二维球面。

爱因斯坦写道：“人和这只不幸的臭虫的遭遇完全一样，处在这样的情况中，只有一点区别，那就是人是三维的。对于他来说，第四维只是在数学上存在着，他的理智不能理解第四维。”

然而，爱因斯坦不安地发现，这样的宇宙有一个严重问题，它是不稳定的，这也是牛顿曾意识到的问题。由于物质引力的存在，宇宙就如同针尖竖立在针尖上一样不稳定，假如某一时刻有一个非常微小的扰动，比如某种原因使宇宙略为变小了一点，宇宙中所有物体之间的距离都将略为缩短，从而引力增强，这又会促使宇宙进一步收缩，并将一直收缩下去。反过来，静态宇宙一旦有一个微小的膨胀，也会一直膨胀下去，宇宙难以保持稳定。爱因斯坦向天文学家求证宇宙是不是动态的，所有的天文学家都告诉他宇宙是静态的，爱因斯坦被迫作出选择，他违反自己的直觉，引进了一个“宇宙学常数”因子来修正他的方程。这个常数项表现为一种斥力，以抗衡引力，起到了负物质的作用，这样，爱因斯坦得到了一个静止的宇宙。

对星系红移的预言

同样是用广义相对论研究宇宙，爱因斯坦因为添加了常数项而得到了一个静态的宇宙，但德西特、茨维基、弗里德曼等人得到了不同的结果，并且预言出了类似哈勃的红移定律。

德西特是和爱因斯坦同时代的广义相对论专家，给人的印象总是显得滑稽好笑，心不在焉，但思维极其敏捷，具有卓越的创造力。德西特推测，在宇宙空间广阔的距离上，会有时间变慢的效应，距离越远，时间变慢得越明显，这称为德西特效应。因此，当光从遥远的空间射来时，因为时间变慢的缘故，光波频率降低，波长相应变长，就发生了红移，而且红移量直接正比于发射天体和接收天体之间的距离，这正好与哈勃定律相符合。但是在这个版本的解释中，宇宙并没有膨胀。

比利时的茨维基是爱因斯坦在苏黎世的同学，也是一个特立独行的人，有着侏儒般矮小的身材，魔鬼般翘起的眉毛，以性格暴躁而闻名，发表观点时总爱夸张地挥舞双臂，如同风车般旋动，甚至有人称他为疯子。他既不赞同爱因斯坦，也不赞同德西特，并且认为真正理解相对论的是他自己而不是爱因斯坦。茨维基1929年提出理论说，光子在从遥远的星系射向地球的旅途中受到了引力的拖拽，能量损失，波长变长，从而造成了红移；天体越遥远，光子受到引力的拖拽越大，能量损失越多，波长变得越长，红移也越大，其结果也符合哈勃定律。茨维基的理论又称为“疲劳光”理论，自茨维基以来，不同版本的“疲劳光”理论已经复兴多次。据这个版本的解释，宇宙也没有膨胀。

俄罗斯的亚历山大·弗里德曼1888年出生于圣彼得堡。1922年，弗里德曼发现了广义相对论引力场方程的一个重要解，这个解表明宇宙在膨胀，膨胀会导致远方的星系发生红移。弗里德曼甚至指出，膨胀的宇宙很可能源于一个奇点。弗里德曼还第一个认识到，单靠广义相对论不足以得知真实宇宙的几何情况，因为它可以有很多种解，究竟哪一种正确，必须根据观测事实来验证。

德西特、茨维基、弗里德曼等人预言出了星系红移，但红移的原因各不相同，究竟谁才是对的呢？

爱因斯坦宇宙观的转变

多年来，包括哈勃在内的大多数天文学家几乎没有人注意到爱因斯坦、德西特、茨维基、弗里德曼等人，他们那些深奧的数学几乎搅晕了每一个人。不过，当爱丁顿出版了《相对论的数学原理》后，情况开始发生变化。这位受人尊敬的物理学家洞察深刻，他认为无论是爱因斯坦的宇宙学常数，还是德西特的空间导致时间变慢、茨维基的光疲劳学说，在本质上都不具有吸引力，臆想的成分居多，并没有太多证据。

很长时间内，爱因斯坦坚持自己的静态宇宙观念，他认为弗里德曼关于宇宙膨胀的解是“可疑的”。1922年9月，爱因斯坦发表了一篇文章，提出弗里德曼的推导过程可能存在一个数学错误。弗里德曼给爱因斯坦写了一封长信阐述自己的推导过程，爱因斯坦发现其正确无误，便又发表了另一篇文章，承认弗里德曼结果的数学正确性，不过他怀疑“这个解没有物理意义”。1927年，爱因斯坦见到大力宣扬宇宙膨胀观的人—比利时的神父勒梅特时，他依然称膨胀宇宙的想法是“令人厌恶的”。

当哈勃的观测结论出来后，爱因斯坦很快意识到，哈勃发现的星系红移，正如弗里德曼利用广义相对论预言的那样，是宇宙膨胀导致的结果！爱因斯坦终于宣称放弃自己坚持的稳恒宇宙思想，并认为自己添加宇宙学常数的做法是“一生中最大的错事”。

宇宙膨胀的本质是空间膨胀

我们来看哈勃定律揭示的宇宙图景。遥远的河外星系都表现出红移，距离越远，红移越大。这是一幅极为独特的图景，爱丁顿曾经说，就像我们的太阳系是宇宙的疫区一样，大家避之唯恐不及，纷纷远离；它还造成了一种印象：我们似乎位于宇宙的中心。

很明显，这幅图景只能是一种假象，不可能是星系本身的真正运动。每个星系确实都在运动，但在大尺度上，它们的运动几乎是随机的，也不会随着距离的增加而增大。以我们为中心的星系远离运动是如此协调一致，它必定是由某个单一因素导致的。

让我们回想一下地球上星空的周日视运动—天上的星星都非常整齐地围绕着地球东升西落，周期几乎完全一致。地心说体系把这种运动解释为星星本身真的在围绕地球运动，而事实是，只要地球自转这一个因素，就解释了所有星星的周日视运动。

哈勃定律揭示的星系协调一致的远离情况与此类似，也必然由某个单一因素引起，这个因素是什么？

在广义相对论给出新时空观以前，哈勃定律不可能得到真正的解释。广义相对论告诉人们，空间-时间并不是脱离物质独立存在的东西，它们本身会弯曲，会膨胀，会收缩。这样就容易明白，哈勃定律表明的宇宙膨胀，实质是空间本身在膨胀！

空间膨胀了，处在空间里的星系距离就相互远离了，就呈现出红移。

天文学家常用吹气球来比喻宇宙空间的膨胀。想象一个气球，上面画着一个个星系，当气球被吹大时，星系与星系之间的距离也变大了；在其中任何一个星系上看其他的星系，那些星系都远离而去，并没有一个中心存在。

不过这个比喻有一个严重缺陷，气球吹大时，气球上的星系会随着气球的膨胀而变大，但是宇宙空间的膨胀不会导致星系变大，因为星系内部物质之间有引力维系着。太阳系、行星也是一样，它们的尺度不会随着空间的膨胀而膨胀，因为这些星球自身万有引力的效果远远超出宇宙膨胀的影响。

物体和生命更不会随着宇宙膨胀而膨胀，因为它们的形状靠自身的原子和分子间的电磁力维持着，这些电磁力的效果也远远超出了宇宙膨胀的影响。

如果所有物体都随着空间一同膨胀，我们也就无从得知宇宙在膨胀了。空间膨胀在非常大的宇宙结构上，比如超星系团以上才有显著影响。因此，像身体变胖这样的事情，绝对不能在宇宙膨胀上找原因！

另一方面，你完全可以放心，宇宙膨胀绝对不会让你变胖。

宇宙学红移：星系发出的光，随着空间膨胀波长被拉伸，从而表现出红移。

三种红移

至今仍有很多对宇宙膨胀的质疑声音。如果要否定宇宙膨胀，就需要否定上述对红移的解释。星系红移是宇宙膨胀的最有力证据之一，当今时代也有不少反对宇宙膨胀的人，他们对红移的解释基本上没有超出德西特和茨维基的版本。

事实上，天文学家们已经把红移分析得相当清楚。红移有三种：引力红移、多普勒红移、宇宙学红移。

引力红移是广义相对论得出的一个结论。从天体发出的光子，会因为引力的作用损失能量。光子的能量与频率成正比，随着光子的能量降低，其频率也会降低，因此，光线在远离天体引力场的过程中波长会有所增加。天体的密度越大，引力红移的效应越明显，比如白矮星和中子星产生的引力红移就相当明显。但对于大质量星系和星系团来说，其密度很小，产生的引力红移量也很小，完全不能解释哈勃定律中的红移。

多普勒红移是天体自身在空间中的相对运动产生，这称为天体的本动。无论是恒星在星系中的本动，以及星系在星系团中的本动，速度都远远小于光速，因此其产生的红移量都非常小，根本不是哈勃定律中的那种红移。而且天体在空间中的本动方向各异，不仅可能远离，也有可能靠近，不仅产生红移，也产生蓝移。

宇宙学红移是空间膨胀的结果。想象一个遥远星系发射的单一波长的光，当它向我们运动而来时，它经过的空间膨胀了，所以光的波长拉长了，于是红移就产生了。星系的光通过的空间路程越长，膨胀就越明显，红移就越大，这就是哈勃定律揭示的宇宙图景。

天文学家们测量到的星系红移就是宇宙学红移、多普勒红移、引力红移交织在一起的状况。我们可以想象这么一幅图像：光线从若干亿光年之外的某个星系团发出，被地球观测者接收。这过程中造成的红移或蓝移有：光线在离开那个星系团时，受到恒星和星系团的引力吸引产生初始引力红移；发光恒星和星系团本身的运动会给光线带来初始多普勒红移或蓝移；光线在宇宙空间中穿行，获得空间膨胀导致的宇宙学红移；观测者本身以及银河系、本星系群等也在运动，它又赋予光子一个多普勒红移或蓝移；光子来到银河系到达地球，受到银河系的引力作用又产生了引力蓝移。

天文学家的众多技能之一就是要从中找出其中的宇宙学红移。这初看起来麻烦透顶，其实在大多数情况下，宇宙学之外的那些红移或蓝移都非常小，根本无关紧要。比如，光线进入银河系并投射到地球表面的过程中，受到银河系天体引力吸引，导致产生了0.001的蓝移，它和远方星系的宇宙学红移相比完全可以忽略不计。

宇宙学红移与宇宙膨胀程度

由于星系的宇宙学红移是由宇宙的膨胀导致，这个红移量就反映了宇宙膨胀的程度。

比如，类星体3C273的红移为0.16，它的退行速度是每秒4.8万千米，距离20亿光年，宇宙尺度自该光线发出到现在就膨胀了16％；类星体3C48的红移为0.37，它的退行速度是每秒11万千米，距离是42亿光年，宇宙尺寸自该光线发出到现在已经膨胀了37％。

2007年发现的Abell 1689C3星系的光谱中，有一条氢原子的谱线，标准波长是0.1216微米，实际测量到的波长变成了1.259微米，红移量高达9.35，从紫外波段位移到了近红外波段，宇宙尺寸自该光线发出到现在已经膨胀了935％，天文学家宣布它的距离是135亿光年。

135亿光年的意思是，这些星系的光子已经在宇宙中旅行了135亿年，因而它们旅行的距离是135亿光年，但这既不是光子发出时星系与我们的距离，也不是现在这个星系与我们的距离。因为宇宙在膨胀，自光子发出以来，星系已经远离而去了许多，它“现在”与我们的距离已经超过了300亿光年。

我们现在能够观测到的最遥远光线来自138亿年前，这些来自宇宙最初的光线旅行了138亿光年的距离来到我们这里，但我们可观测到的宇宙半径不止138亿光年，而是约460亿光年，这就是宇宙在138亿年间不断膨胀的结果。我们的可观测宇宙是一个半径约460亿光年的球，但这绝不是宇宙的全部，因为可观测宇宙只是宇宙的一部分。宇宙究竟有多大，究竟是有限还是无限，目前还是一个未知的谜，也可能是一个永远的不解之谜。