第2講 膨脹的宇宙

銀河系是一個龐大的恒星系統，而我們的太陽以及鄰近的恒星全都是銀河系的組成部分。長期以來，人們一直以為銀河系就是整個宇宙。只是到了1924年，美國天文學家埃德溫·哈勃才證實我們的星系并不是獨一無二的。事實上，還存在著許許多多其他的星系，而在星系之間則是廣袤的虛無空間。為了證明這一點，哈勃必須確定這些河外星系的距離。我們可以確定鄰近恒星的距離，辦法是觀測它們因地球繞太陽運動而引起的位置變化。但是，河外星系實在是太過遙遠了，這與近距離恒星的情況不同，它們看上去完全固定不動。因此，哈勃只能通過間接的方法來測量它們的距離。

須知，恒星的視亮度取決于兩個因素：光度，以及它離我們有多遠。對于近距離恒星來說，我們可以測得它們的視亮度和距離，于是便能確定它們的光度。相反，要是我們知道了其他星系中一些恒星的光度，就可以通過測定它們的視亮度來推算出它們的距離。哈勃論證了存在某些類型的恒星，當它們距離我們近得足以被我們測量時，它們有相同的光度。于是，如在另一個星系中發現了同類恒星，我們就可以設想它們有著同樣的光度。這樣一來，便可以計算出那個星系的距離。如果可以對同一個星系中的若干顆恒星實施此類計算，并總是得出相同的距離，那么對星系距離的估計就相當可信了。通過這條途徑，哈勃得到了九個不同星系的距離。

現在我們知道，利用現代望遠鏡可以觀測到數千億個星系，銀河系只是其中之一，而每個星系又含有數千億顆恒星。我們生活在一個緩慢自轉中的星系之內，尺度約為10萬光年；它有若干條旋臂，旋臂中的恒星繞著星系中心作軌道運動，大約每一億年轉過一周。我們的太陽只不過是一顆中等大小的普通黃色恒星，它位于其中一條旋臂的外邊緣。毫無疑問，自亞里士多德和托勒密以來我們經歷了漫長的認識之路，而在他們那個年代地球被認為位于宇宙的中心。

恒星的距離實在是太遠了，以至于看上去它們只是一些非常小的光點。我們不可能確定恒星的大小和形狀。那么，怎樣才能把不同類型的恒星區分開來呢？對于絕大多數恒星來說，唯一可以觀測到，且不致發生誤判的特征是它們的光的顏色。牛頓發現，如果使太陽光穿過一塊棱鏡，光線便會分解成構成陽光組成成分的各種顏色——太陽光譜，它看上去就像彩虹一樣。類似地，把望遠鏡瞄準個別恒星或者星系并準確聚焦，就可以觀測到恒星或星系的光譜。不同的恒星有不同的光譜，但不同顏色的相對亮度，總是會與某個灼熱燃燒物體發出的光線所呈現的情況完全一樣。這意味著可以由恒星的光譜來確定恒星的溫度。還有，我們發現有一些特定的顏色在恒星光譜中是缺失的，而且這類缺失的顏色可以因恒星的不同而不同。我們知道，每一種化學元素都會吸收掉一組能表征有相應元素存在的特定的顏色。因此，只要把每一組這樣的顏色與恒星光譜中缺失了的那些顏色相比對，就可以嚴格確認在恒星大氣中存在有哪些元素。

棒旋星系的旋臂

20世紀20年代，當天文學家開始觀察河外星系中恒星的光譜時，異常情況發生了：它們所缺失的特征顏色組與我們的銀河系中恒星的情況相同，但它們全都朝著光譜的紅端移動，且相對位移量都一樣。對此，唯一合理的解釋是星系都在遠離我們運動，因而星系光波的頻率減小了，或者說發生了紅移，其原因在于多普勒效應。請傾聽一輛汽車在路上急駛而過的聲音。當汽車由遠方駛近時，汽車引擎聲聽起來音調比較高，相當于聲波的頻率比較高；當汽車由近處向遠方駛離時，引擎聲的音調聽起來比較低。光波或輻射波具有類似的變化特性。實際上，警察正是利用多普勒效應，通過測定由汽車反射回來的無線電波脈沖的頻率，來測出汽車的速度。

牛頓（1642—1727）

在證實了河外星系的存在之后，哈勃花了好多年時間來逐一記錄星系的距離，同時還觀測它們的光譜。在那個時候，大多數人都以為星系的運動是完全隨機的，所以光譜呈現藍移的星系應該與呈現紅移的星系一樣多。因此，當哈勃發現所有的星系都表現為有紅移時，人們頗感意外，這說明每一個星系都在遠離我們而去。更令人吃驚的是，哈勃在1929年發表的結果表明，甚至星系紅移的大小也不是隨機的，紅移量居然與星系的距離成正比。換言之，星系越遠，遠離我們的速度就越快。因而，這意味著宇宙不可能如之前眾人都猜想的那樣是靜態的，而是宇宙事實上正處于膨脹之中。在任何時刻，不同星系間的距離一直在不斷地增大。

發現宇宙正在膨脹，乃是20世紀一項偉大的理性革命。事后來看，不禁讓人驚訝為什么之前沒有一個人想到這一點。牛頓等人應該會意識到，在引力的作用下一個靜態宇宙很快會開始收縮。但是，請設想一下宇宙并不處于靜止狀態，而是正在膨脹。如果宇宙膨脹得不太快，那么引力的作用最終會使膨脹停止，并隨之開始收縮。然而，要是膨脹速度超過某個確定的臨界值，而引力作用不足以使膨脹停止，則宇宙便會一直不斷地永遠膨脹下去。這有點像我們在地球表面給火箭點火，使其上升時所發生的情況。如果火箭的速度比較慢，那么引力最終會使火箭停止運動，并隨之開始向地面回落。要是火箭的速度大于某個臨界值（約為每秒7英里），引力便不足以把它拉回地面，于是火箭便會越飛越遠，永遠脫離地球。

在19世紀、18世紀，甚至17世紀晚期這段時間內的任何時候，都已經可以做到根據牛頓的引力理論來預言宇宙的上述變化特性。但是，人們關于靜態宇宙的信念實在是太強了，這種信念一直延續到20世紀初。即使愛因斯坦在1915年系統地闡明了廣義相對論之時，他還是深信宇宙只能處于靜止狀態。因此，為了使靜態宇宙成為可能，愛因斯坦對自己的理論做了修正，具體做法是在他的一些方程中引入了一個所謂的宇宙學常數。這是一類新的“反引力”之力，與其他作用力的不同之處在于，這種力并非來自任何具體的力源，而是時空結構自身的組成部分。愛因斯坦的宇宙學常數給時空以某種固有的膨脹趨勢，而且恰好可以與宇宙中全部物質的吸引力相平衡，這樣一來自然會得出靜態宇宙的結論。

看來，只有一個人愿意還廣義相對論以其本來面目。盡管愛因斯坦和其他一些物理學家在不斷探究各種途徑，以能回避廣義相對論所預言的非靜態宇宙，俄國物理學家亞歷山大·弗里德曼卻與眾不同地著手解釋非靜態宇宙。