第2讲 膨胀的宇宙

回落。要是火箭的速度大于某个临界值（约为每秒7英里 13 ），引力便不足以把它拉回地面，于是火箭便会越飞越远，永远脱离地球。

在19世纪、18世纪，甚至17世纪晚期这段时间内的任何时候，都已经可以做到根据牛顿的引力理论来预言宇宙的上述变化特性。但是，人们关于静态宇宙的信念实在是太强了，这种信念一直延续到20世纪初。即使爱因斯坦在1915年系统地阐明了广义相对论之时，他还是深信宇宙只能处于静止状态。因此，为了使静态宇宙成为可能，爱因斯坦对自己的理论做了修正，具体做法是在他的一些方程中引入了一个所谓的宇宙学常数 14 。这是一类新的“反引力”之力，与其他作用力的不同之处在于，这种力并非来自任何具体的力源，而是时空结构自身的组成部分。爱因斯坦的宇宙学常数给时空以某种固有的膨胀趋势，而且恰好可以与宇宙中全部物质的吸引力相平衡，这样一来自然会得出静态宇宙的结论。

看来，只有一个人愿意还广义相对论以其本来面目。尽管爱因斯坦和其他一些物理学家在不断探究各种途径，以能回避广义相对论所预言的非静态宇宙，俄国物理学家亚历山大·弗里德曼却与众不同地着手解释非静态宇宙。

弗里德曼模型 15

广义相对论方程确定了宇宙如何随时间演化，然而这些方程的详细解算却极为复杂。因此，弗里德曼另辟蹊径，他就宇宙作了两个非常简单的假设：无论从哪一个方向去观察，宇宙看上去都是一样的；还有，要是我们能从任何别的地方观察宇宙，上述结论仍然成立。根据广义相对论和这两个假设，弗里德曼证明了我们不应该期望宇宙是静态的。实际上，在哈勃做出他的发现之前的若干年，弗里德曼于1922年就已精确预言了哈勃所发现的结果。

事实上，关于宇宙从任何方向看来都是相同的假设显然是不成立的。例如，我们银河系中的其他恒星在夜空中构成了一条明显的光带，这就是银河。但是，如果我们的观察对象是遥远的星系，那么从不同方向上看起来星系的数目大体上是相同的。所以，从不同方向去观察，宇宙看上去确实大体上是一样的，但这里有一个前提，即观测视野的范围应远远大于星系间的距离。

在很长的一段时间内，这为弗里德曼的假设——作为真实宇宙的某种粗略近似——提供了充足的理由。然而，后来一次很幸运的偶然事件揭示了真相：实际上弗里德曼的假设是对我们的宇宙的极为精确的描述。1965年，在新泽西州贝尔实验室工作的两位美国物理学家阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊，设计了一台甚高灵敏度的微波探测器，目的是用于与轨道上的卫星进行通讯联系。使两人深感迷惑不解的是，他们发现这台探测器所接收到的噪声比预期来得多，而且多余的噪声似乎并非来自任何特定的方向。开始时，他们寻找探测器上飞鸟的粪便，还检查了其他可能的仪器故障，但这些情况很快被一一排除。他们明白，对任何来自大气层内部的噪声来说，探测器倾斜安置时的噪声要比指向天顶时来得大，因为当探测器的指向与垂直方向成某个交角时，大气层会显得比较厚 16 。

无论探测器指向哪一方向，多余的噪声始终保持不变，所以它必然来自大气层之外。还有，尽管地球在不断地绕轴自转，同时又绕着太阳运动，但在整个一年中，无论白天还是黑夜，这种噪声始终保持不变。这说明辐射一定来自太阳系之外，甚至来自银河系之外，否则因探测器随地球运动而指向不同的方向，辐射也应当随之发生变化。

事实上，我们知道这类辐射在到达地球之前，必然穿越了可观测宇宙的大部分空间。因为辐射表现为各向同性，那么宇宙一定也是各向同性的，至少在大尺度上应该如此。现在我们知道，无论从哪个方向去看，这类噪声的相对变化绝不会超过万分之一。因此，彭齐亚斯和威尔逊在无意之中，以很高的精确度偶尔证实了弗里德曼的第一个假设。

差不多在同一时间，不远处普林斯顿大学的两位物理学家鲍勃·迪克和吉姆·皮伯尔斯也对微波饶有兴趣。当时他们正在深入研究乔治·伽莫夫的一种设想：早期宇宙应该是非常炽热的，且密度很高，会发出白热的光芒；须知伽莫夫曾经是弗里德曼的学生。迪克和皮伯尔斯认为，这种光芒现在仍然能看到，原因在于从早期宇宙非常遥远部分所发出的光线现在应当刚好到达地球。不过，由于宇宙膨胀，这种光线应该有非常大的红移，因而现在就我们来看便表现为微波辐射。迪克和皮伯尔斯此时正在寻找这类辐射，当彭齐亚斯和威尔逊得知他们的工作时，便意识到自己已经找到了这种辐射。彭齐亚斯和威尔逊因这项工作于1978年获诺贝尔奖，而这对迪克和皮伯尔斯来说似乎有点残酷。

上述观测证据充分说明，无论在哪个方向上，宇宙看起来都是一样的，表面上看这好像暗示了我们在宇宙中所处的位置应该与众不同。说得具体一点，这似乎意味着如果我们观测到的所有河外星系都在远离我们而去，那么我们必然位于宇宙的中心。不过，对此也可以有另一种不同的解释：从任何其他的星系来看，在不同方向上所观测到的宇宙也许还是一样的。我们已经知道，这正是弗里德曼的第二个假设。

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