·第7章·
膨胀的宇宙
如果你在一个清澈无月的夜晚仰望星空，你可能看到的最亮的星体是金星、火星、木星和土星，还有数目巨大的类似我们太阳的，但离开我们遥远得多的恒星。事实上，当地球围绕着太阳公转时，这些固定的恒星中的一些，相互之间的位置呈现出非常微小的改变。它们绝非完全固定不动的！这是因为它们距离我们相对接近一些。随着地球围绕着太阳公转，相对于更远处的恒星背景，我们从不同的位置观测较近的恒星。这个效应和你在空旷的路上驾车时所看到的景象很类似，以地平线上的任何东西为背景，附近树木的相对位置仿佛在变化。树木愈近，似乎运动愈甚。这种相对位置之变化称为视差（见44页插图）。说到恒星，这真是幸运，因为它使得我们能直接测量这些恒星与我们的距离。
正如我们在第1章提到的，最近的恒星比邻星大约有4光年或者230 000亿英里那么遥远，其他大多数肉眼可见的恒星离开我们的距离均在几百光年之内。与之相比，我们和太阳仅仅有8光分之遥！可见的恒星看起来散布在整个夜空，但是特别集中在一条我们称为银河的带子上。早在公元1750年就有一些天文学家提出，如果大部分可见的恒星处在单独的碟状结构中，就可以解释银河的外观。该碟状结构便是我们现在称为螺旋星系的一个例子。之后不到几十年后，天文学家威廉·赫歇尔爵士就非常精心地对大量恒星的位置和距离进行编目分类，从而证实了这个观念。即便如此，直到20世纪初人们才完全接受这个思想。我们现在知道，银河系——我们的星系——大约有10万光年宽并且缓慢旋转；它螺旋臂上的恒星每几亿年围绕着它的中心公转一圈。我们的太阳只不过是一颗寻常的平均大小的黄色恒星，处于银河系的一个螺旋臂的内缘附近。在亚里士多德和托勒密时代，人们认为地球是宇宙的中心。从那以后，我们的确已经走过了很长的历程！
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视差
无论你在路上还是在空间中运动，当你行进的时候，近处和远处物体的相对位置随之变化，测量这种变化可以用于确定物体的相对距离。
直到1924年，当美国天文学家埃德温·哈勃证明了银河系不是仅有的星系，我们现代的宇宙图像才得以奠定。事实上，他找到了许多其他星系，它们之间是巨大的空虚的太空。为了证明这些，哈勃必须确定从地球到其他星系的距离。但是这些星系是如此之遥远，而不像邻近的恒星那样，它们的位置显得完全固定不动。由于哈勃不能使用视差法测量这些星系，他不得不利用间接的办法。恒星距离的一个显然的测度是它的光度。但是恒星的视亮度不仅依赖它的距离，还依赖它发射出多少光（它的光度）。一颗暗淡的恒星，如果足够近，将使任何远处星系中最亮的恒星相形见绌。所以，为了使用视亮度作为恒星距离的测度，我们必须知道它的发光度。
因为从邻近恒星的视差我们可以知道它们的距离，所以从它的视亮度可以计算出它的光度。哈勃注意到，按照这些邻近恒星发出的光的种类，可以将它们分成若干类型。同类的恒星总是具有相同的光度。然后他论证道，如果我们在一个遥远的星系中发现这些类型的恒星，我们可以假定它们具有与我们邻近的类似恒星相同的发光度。我们可以利用这些信息来计算出该星系的距离。如果我们可以对同一星系的一些恒星做这种处理，而且我们的计算总是给出相同的距离，我们就能相当确信自己的估计。哈勃用这种办法得出9个不同星系的距离。
恒星光谱
人们通过分析星光的组分色，既能确定恒星的温度，又能确定其大气成分。
今天我们知道，肉眼可见的恒星只占所有恒星的极小部分。我们能够看到大约5 000颗恒星，这大约只占我们自身的星系即银河系中所有恒星的0.000 1%。而银河系本身只不过是我们用现代望远镜能看到的多于1 000亿个星系中的一个——而每个星系都平均包含大约1 000亿颗恒星。如果一颗恒星是一粒盐，你可以把肉眼看得见的所有恒星全放在一个茶匙上，而宇宙中的所有恒星可以充满直径比8英里还长的一个球体。
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黑体谱
由所有物体——不仅恒星——的微观成分的热运动导致物体发出辐射。这种辐射中的频率分布表征该物体的温度。
恒星是如此遥远，在我们的眼中它们只不过是微小的光点。我们不能看到它们的尺度或者形状。但是，正如哈勃注意到的，宇宙间存在很多不同种类的恒星，而我们可以按照它们的光的颜色将其区分。牛顿发现，如果太阳光通过一块称为棱镜的三角状玻璃，它就会分解成像在彩虹中一样的组分色。从一个给定光源发射出的各种颜色的相对强度称为它的光谱。人们把望远镜聚焦在单独的恒星或星系，就能观察到从该恒星或星系发来的光谱。
这个光告诉我们的诸事之一就是温度。1860年德国物理学家古斯塔夫·克希霍夫意识到，任何物体，比如恒星，加热时就会发出光或者其他辐射，正如煤炭加热时会发光一样。这种炽热物体中的原子的热运动引起发光，它称为黑体辐射（虽然炽热的物体不是黑的）。黑体辐射谱很容易辨识：它具有一个特殊的形状，这种形状随物体的温度而变化。因此，炽热物体发射的光像是一个温度读数。我们从不同恒星观测到的光谱总是恰好处于这种形式：它是该恒星热的状态的明信片。
如果我们更仔细地观测，从星光可以得到更多信息。我们发现某些非常特定的颜色缺失，而这些缺失的颜色可依恒星而变。由于我们知道每种化学元素吸收独具特点的一组非常特殊的颜色，把这些和在恒星光谱中缺失的那些相对照，我们就能精确地确定在那个恒星的大气中存在哪些元素。
20世纪20年代，当天文学家开始观测其他星系中的恒星光谱时，发现某些非常奇怪的东西：在那些星系中存在和我们自身星系中的恒星相同的缺失颜色的特征模式，只不过它们都向光谱的红端移动了同样的相对量。
物理学家将这种颜色或者频率的移动称为多普勒效应。大家在声音的领域里都对此非常熟悉。聆听路过的小轿车：当小轿车驶近时，它的发动机——或者它的喇叭——发出较高的音调，而在它通过再离去，它就发出较低的音调。它的发动机或者喇叭的声音是一个波，是一连串波峰和波谷。当一辆小轿车向我们急速开来，随着它发出每一个连续的波峰，它会越来越接近我们，这样波峰之间的距离——声音的波长——就比小轿车静止时短。波长越短，每秒到达我们耳朵的波动就越多，音调或者声音的频率也就越高。相应地，如果小轿车离开我们而去，波长就变得较长，而到达我们耳朵的波将具有较低的频率。小轿车运动越快，此效应就越大，这样我们可以利用多普勒效应去测量速度。光或者射电波的行为很类似。警察就是利用多普勒效应，通过测量从小轿车反射回来的射电波脉冲的波长来测量它们的速度。
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多普勒效应
当波源朝着观察者运动时，它的波长就显得较短。如果波源离开观察者运动，它的波长就显得较长。这就称做多普勒效应。
正如我们在第5章提到的，可见光的波长极短，其范围是百万分之四十厘米至百万分之八十厘米。光的不同波长正是人眼当做不同颜色看到的东西，最大的波长出现在光谱的红端，而最短的波长在蓝端。现在想象和我们距离不变的一个光源，比如一颗恒星，正在以一个不变的波长发射出光波。我们接收到的波的波长和它们被发射时的波长相同。然后假定光源开始离开我们而去。正如声音的情形那样，这意味着光的波长被拉长，因此，它的光谱向谱的红端移动。
哈勃在证明了其他星系存在之后的岁月里，花费时间为星系距离编目并观测其光谱。在那个时候，大多数人料想星系完全任意地运动，于是哈勃预料找到的蓝移谱会和红移谱一样多。因此，当他发现大多数星系呈现红移，确实感到非常惊奇：几乎所有星系都飞离我们！1929年哈勃发表的观测发现更令人惊奇：甚至星系红移的大小也不是任意的，它和星系离开我们的距离呈正比。换句话说，星系越远，则飞离得越快速！这意味着宇宙不像原先所有人以为的那样是静止的，或者在尺度上不变。事实上，宇宙正在膨胀，不同星系之间的距离一直在增长。
宇宙膨胀的发现是20世纪最伟大的智力革命之一。事后回想，人们很容易惊讶，为何前人从未想到这一点。牛顿和其他人应该可以意识到，由于没有可相比较的斥力来平衡所有恒星和星系相互作用的引力拉力，一个静止的宇宙会是不稳定的。因此，即便宇宙在某一时刻是静止的，由于所有恒星和星系的相互引力吸引会很快使它收缩，所以它也不能保持静止。事实上，即便宇宙正在相当慢地膨胀，引力也会使它最终停止膨胀，然后它再开始收缩。然而，如果宇宙以超过某一临界速率膨胀，引力就永远不会强大到足以停止它，而它将继续永远膨胀下去。这有点像当你在地球表面向上方引燃火箭时发生的情景。如果火箭的速度相当慢，引力将最终使之停止并开始折回地面。另一方面，如果火箭的速度比某一临界值（大约每秒7英里）更高，引力就没有强大到足以将其拉回，这样它将永远飞离地球。
19世纪、18世纪甚至17世纪末的任何时候，人们都可以从牛顿引力论预言出宇宙的这个行为。然而，静态宇宙的信念是如此之根深蒂固，使它一直维持到20世纪的初叶。甚至爱因斯坦于1915年表述其广义相对论时，还如此坚信宇宙必须是静止的，他甚至在其方程中引进一个称做宇宙常数的敷衍因素，去修正他的理论，使宇宙可能处于静态。宇宙常数具有新的“反引力”的效应，它不像其他的力那样，不由任何特别的源引起，而是嵌入在时空的自身结构之中。这个新力的一个结果便是，时空具有一种内禀的膨胀倾向。爱因斯坦调节宇宙常数，就可以调节这种倾向的强度。他发现，他可以把它调节得恰好去平衡宇宙中的所有物体的相互吸引，这样就可以得到静态的宇宙。他后来否认宇宙常数，将这个敷衍因素称为他的“最大错误”。正如我们很快就要看到的，今天我们有理由相信，他引进宇宙常数也许终究是正确的。但是，爱因斯坦让静态宇宙的信念压倒他的理论似乎要预言的东西：宇宙正在膨胀，这肯定曾使他十分沮丧。似乎只有一个人愿意相信广义相对论的这个预言。当爱因斯坦和其他物理学家正在寻求避免广义相对论的非静止宇宙时，俄国物理学家兼数学家亚历山大·弗里德曼却着手解释它。
弗里德曼对于宇宙做了两个非常简单的假定：我们无论往哪个方向观察宇宙，也无论从任何其他地方观察宇宙，宇宙看起来都是一样的。弗里德曼证明，仅仅从这两个观念出发去解广义相对论的方程，我们应该预料到宇宙不是静止的。事实上，1922年，也就是在埃德温·哈勃做出发现的几年前，弗里德曼就预言了恰好是哈勃后来发现的东西！
很清楚，关于宇宙在任何方向上都显得一样的假设，在实际上不是准确成立的。例如，正如我们注意到的，我们星系中的其他恒星形成了横贯夜空的叫做银河系的清晰光带。但是我们如果观看遥远的星系，似乎在每一方向上都有大致相同数量的星系。所以，假定我们在比星系间距离更大的尺度下来观察，而不理睬在小尺度下的差异，则宇宙确实在所有的方向上看起来是大致一样的。想象站在森林中，林中的树木随意分布。如果你往一个方向看，可能看到在1米距离处的最近的树。在另一方向最近的树也许在3米以外。在第三个方向你可以在2米处看到一簇树。森林似乎在每个方向上都显得不同，但是如果考虑在1英里半径之内的所有树木，这类差异就会被平均掉了，而你会发现，不管在哪个方向上，你看到的森林都是一样的。
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各向同性的森林
即使森林中的树木均匀分布，邻近的树木仍然可以成簇。类似地，尽管宇宙在我们附近显得不均匀，但是在大尺度下，无论在我们视线的任何方向上，都显得是相同的。
在很长一段时期里，这种恒星的均匀分布已经充分地支持了弗里德曼假设——它可以看成是实在宇宙的粗略近似。然而，近世的一桩幸运的事件揭示了另一方面：事实上，弗里德曼假设异常准确地描述了我们的宇宙。1965年位于新泽西州的贝尔电话实验室的两个美国物理学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在试验一个非常灵敏的微波探测器。（提醒一下，微波正如光波，但是它的波长大约为1厘米。）彭齐亚斯和威尔逊发现其探测器接收到比应有的还要大的噪声，他们为此而困惑。他们在探测器上发现了鸟粪并检查了其他可能的故障，但很快就排除了这些可能性。这个噪声很特别，尽管地球围绕着自己的轴自转，而且围绕着太阳公转，这噪声白天晚上并且整年都是一样的。由于地球的自转和公转使探测器指向空间的不同方向，于是彭齐亚斯和威尔逊得出结论，噪声来自太阳系之外，甚至来自银河系之外。它似乎从空间的每一方向同样地到来。现在我们知道，不管我们往哪个方向看，这个噪声变化总是非常微小，于是彭齐亚斯和威尔逊意外地发现了弗里德曼第一个假设的一个引人注意的例子，这个假设讲宇宙在每个方向上都是相同的。
这个宇宙背景噪声的起源是什么呢？大致和彭齐亚斯及威尔逊研究他们检测器噪声的同时，在附近的普林斯顿大学的两位美国物理学家鲍伯·狄克和詹姆士·皮帕尔斯也对微波发生兴趣。他们正在研究乔治·伽莫夫（曾一度为亚历山大·弗里德曼的学生）的一个建议：早期的宇宙应该是非常密集的和白热的。狄克和皮帕尔斯论证道，我们仍然应该能看到早期宇宙的白热，这是因为从它非常遥远的部分发来的光，刚好现在才到达我们这里。然而，宇宙的膨胀意味着光被红移得这么厉害，以至于现在只能作为微波辐射，而非可见光呈现给我们。当彭齐亚斯和威尔逊听说狄克和皮帕尔斯的研究工作时，后者正准备着手寻找这个微波辐射，前者立即意识到，自己已经找到了这个辐射。为此，彭齐亚斯和威尔逊得到1978年的诺贝尔奖（狄克和皮帕尔斯似乎对此相当难过，更别提伽莫夫了）。
初看起来，宇宙在我们视线的任何方向上都显得相同，这一切证据似乎暗示，我们在宇宙中的位置有点特殊。特别是，如果我们看到所有其他的星系都远离我们而去，那么我们似乎必须处于宇宙的中心。然而，对此还可以做另外的解释：从任何其他星系上看，宇宙在任何方向上也可能都一样。正如我们所看到的，这是弗里德曼的第二个假设。
我们没有任何科学证据去支持或反驳弗里德曼的第二个假设。由于教会教义宣布我们在宇宙的中心占有一个独特的位置，所以若在几个世纪以前，这个假设就会被教会认为是异端邪说。但是今天我们之所以相信弗里德曼的假设，几乎基于相反的原因，即某种谦虚：我们觉得如果宇宙只是在围绕我们，而不在围绕宇宙其他点上的每个方向上都显得相同，那可就太令人吃惊了！
在弗里德曼的宇宙模型中，所有星系都直接相互飞离。这种情形很像画上许多斑点的被持续吹胀的气球。随着气球膨胀，任意两个斑点之间的距离增大，但是没有一个斑点可声称为膨胀的中心。此外，随着气球半径的持续增大，气球上的斑点相离得越远，则它们互相离开得越快。例如，假定气球的半径在1秒内加倍。原先相离1厘米的两个斑点现在就相离2厘米（沿着气球表面来测量），这样它们的相对速度是每秒1厘米。另一方面，一对原先相离10厘米的斑点现在就相离20厘米，这样它们相对速度为每秒10厘米。类似地，在弗里德曼模型中任何两个星系互相离开的速度和它们之间的距离成正比。所以他预言，星系的红移应与离开我们的距离呈正比，这正是哈勃发现的。尽管弗里德曼成功地给出了他的模型，并且成功地预言了哈勃的观测，但是直到1935年，为了响应哈勃的宇宙均匀膨胀的发现，美国物理学家霍瓦德·罗伯逊和英国数学家阿瑟·瓦尔克提出类似的模型后，西方才普遍知道弗里德曼的工作。
由于宇宙的膨胀，所有星系都相互离开。犹如正在吹胀的气球上的一些斑点，相对于相互邻近的星系，相互远离的星系之间的距离随时间增大得更快。因此，在任何星系上的观察者会觉得，越远的星系离开得越快。
弗里德曼只推导了宇宙的一个模型。但是如果他的假设是正确的话，爱因斯坦方程实际上可能有三种类型的解，也就是三种不同类型的弗里德曼模型——又是宇宙可能行为的三种不同方式。
在第一类（弗里德曼找到的）解中，宇宙膨胀得足够慢，这样不同星系之间的引力使膨胀减缓，并最终使之停止。然后星系开始朝着相互靠近的方向运动，而宇宙收缩。在第二类解中，宇宙膨胀得如此之快，以至于引力虽然能使之缓慢一些，却永远不能使之停止。最后，还有第三类解，宇宙的膨胀刚好快到足以避免坍缩。星系分开的速度越变越小，但是它永远不会完全达到零。
第一类弗里德曼模型引人注意的特点是，在该模型中，宇宙在空间上不是无限的，但是却没有边界。引力是如此之强大，把空间折弯绕回到自身。这和地球的表面很像，它是有限的，但是没有边界。如果你在地球表面上沿着一定的方向不停地行进，你将永远不会遇到一个不可超越的障碍，或者从边缘上掉下去，你最终会回到你出发的地方。在这个模型中，空间正与此相似，但是具有三维，而不像地球表面那样只具有二维。你可以直接绕宇宙走一周再回到出发点的思想，可成为科学幻想的好题材，但它在实际上没有多大意义。因为可以证明，你还没来得及绕回一圈，宇宙已经坍缩到了零尺度。宇宙是如此之大，你为了在宇宙终结之前回到你的出发点，就必须旅行得比光还快——而这是不允许的！在第二类弗里德曼模型中，空间也是弯曲的，虽然是以不同的方式。只有第三类弗里德曼模型对应于一个宇宙，其大尺度几何是平直的（尽管在大质量物体邻近，空间仍然是弯曲的或者翘曲的）。
哪一类弗里德曼模型描述我们的宇宙？宇宙最终将停止膨胀并开始收缩，或者将永远膨胀下去？
这个问题的答案比科学家们最初以为的还要复杂。最基础的分析依赖两件东西：宇宙现在的膨胀率和它现在的平均密度（在空间的给定体积内的物质的量）。现在的膨胀率越快，停止它所需要的引力就越大，这样需要的物质密度也就越大。如果平均密度比某一（由膨胀率所确定的）临界值还大，物质的引力吸引就将成功地停止其膨胀并使之坍缩——对应于第一类弗里德曼模型。如果平均密度比临界值小，就不存在足够的引力拉力去停止它膨胀，宇宙将永远地膨胀下去——对应于第二类弗里德曼模型。而如果平均密度刚好是临界值，那么宇宙将永远减缓它的膨胀，逐渐地越来越趋向，但永远不会达到一个静态的尺度，这对应于第三类弗里德曼模型。
那么我们的宇宙究竟是哪一类呢？我们利用多普勒效应测量其他星系离开我们的速度，就能确定现在的膨胀率。这可以非常精确地做到。然而，因为我们只能间接地测量这些星系的距离，所以它们测量得不很准确。于是，我们只不过知道，宇宙正在以每10亿年5%至10%的速率膨胀。我们关于宇宙现在的平均密度的不确定性甚至更大。即使我们把银河系和其他星系中能看到的所有恒星的质量加起来，甚至在对膨胀率取最低值的估计时，其质量总量仍然不及停止宇宙膨胀所需质量的1%。
但这还不是故事的全部。我们的星系和其他星系肯定还包含大量我们不能直接观察到的“暗物质”。但是由于它对星系中恒星轨道的引力吸引的影响，我们知道它肯定存在。那些处于像银河系这样的螺旋星系的外围的恒星也许是最好的证据。这些恒星围绕着它们的星系公转得太快，如果仅仅依赖能看到的星系恒星的引力吸引，是不足以将其约束在轨道上。此外，人们还发现大多数星系是成团的，我们可以从星系团对星系运动的影响做类似的推断，在这些团中的星系之间还存在着更多的暗物质。事实上，在宇宙中暗物质的总量远远地超过平常物质的总量。当我们将所有这些暗物质加起来，我们大约只得到用来停止膨胀所需物质的量的1/10。但是也可能还存在几乎均匀地分布于整个宇宙的其他形式的暗物质，尚未被我们检测到，它们甚至可能更多地提高宇宙的平均密度。例如，存在一种叫做中微子的基本粒子，它和物质非常微弱地相互作用，而且去检测它非常困难（最近的一个中微子实验使用一个充满50 000吨水的地下检测器）。过去以为中微子是无质量的，因此没有引力吸引，但是最近几年的实验表明中微子实际上具有非常微小的质量，该质量在早先没有被检测到。如果中微子具有质量，它们可以是暗物质的一种形式。即使允许中微子暗物质，宇宙中的物质仍然远比停止膨胀需要的少得多。于是，直到最近，大多数物理学家本来要达成共识：第二类弗里德曼模型是适用的。
后来又有了一些新的观测。最近几年，几个研究小组研究了彭齐亚斯和威尔逊发现的背景微波辐射中的微小起伏。那些起伏的尺度可用来作为宇宙大尺度几何的指示物，它们指出宇宙根本是平坦的（正如在第三类弗里德曼模型中那样）！由于似乎没有足够的物质和暗物质对此做出解释，物理学家为了解释它，假定存在另一种还未被探测到的实体——暗能量。
使事情更进一步变复杂的是，最近的其他观测指出，宇宙的膨胀实际上不是减慢，而是加速。弗里德曼模型中没有一类做到这一点！这是非常奇怪的，因为空间中的物质效应，不管其密度高低，只能减缓膨胀，引力毕竟是吸引的。宇宙膨胀正在加速，这有点像一个炸弹的爆炸，这种炸弹在爆炸后它的威力不但没有耗散，反而得到加强。越来越快地把宇宙分离开的原因可能是什么力呢？没有人清楚，但是它也许证明，爱因斯坦引进宇宙常数（以及它的反引力效应）终归是正确的。
随着新技术和新的卫星携带的大型望远镜的快速发展，我们正快速地得到新的令人惊讶的宇宙知识。现在我们已对它的晚期行为甚为了解：宇宙将继续以不断增加的速度膨胀。至少对于那些足够谨慎而不落进黑洞的人们，时间将永远流逝。但是非常早期的情形如何呢？宇宙是如何起始的，又是什么使它膨胀呢？