上一期我們說(shuō)到了愛(ài)因斯坦用廣義相對(duì)論解釋了宇宙的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是怎樣的，那么組成宇宙的都是什么呢？

1917年，愛(ài)因斯坦向普魯士科學(xué)院提交了廣義相對(duì)論場(chǎng)方程以及它所描述的整個(gè)宇宙的性質(zhì)。

這是一個(gè)由空間、時(shí)間、質(zhì)量和能量組成的結(jié)構(gòu)。就是這樣一組方程，愛(ài)因斯坦用它描述了時(shí)空和質(zhì)能之間的關(guān)系，在原則上這組方程包含了宇宙中所有的要素，只是規(guī)模大小的問(wèn)題。

其實(shí)，在可觀測(cè)宇宙中存在了各種復(fù)雜的物理、化學(xué)以及生物物質(zhì)，比如含有氣體的星系、恒星、黑洞、類星體、中子星、行星、化學(xué)物質(zhì)、生命等等。

顯然，場(chǎng)方程無(wú)法解釋宇宙中的一切。

但是當(dāng)面對(duì)一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，理論物理學(xué)家通常會(huì)忽略所有的復(fù)雜性，以試圖讓問(wèn)題變得更容易處理。這一過(guò)程也被稱為簡(jiǎn)化假設(shè)。

其實(shí)，愛(ài)因斯坦就已經(jīng)這么做了。他的場(chǎng)方程太復(fù)雜了，所以不得不假設(shè)宇宙在各個(gè)方向上都是均勻的，包含著具有相同組成成分的物體。而且他還假設(shè)，我們從地球這一視角觀察到的宇宙，和宇宙中的任意一個(gè)位置所觀察到的宇宙沒(méi)有什么不同。就是說(shuō)我們?cè)谶@個(gè)宇宙中并不特殊。

在這些假設(shè)的基礎(chǔ)上，愛(ài)因斯坦推導(dǎo)出了一個(gè)非常引人注目的結(jié)論，宇宙是有限而無(wú)界的。

在愛(ài)因斯坦所想象的宇宙中，時(shí)空就像球體的表面一樣卷曲了起來(lái)。如果你的壽命足夠長(zhǎng)的話，一直向著宇宙一個(gè)方向走，最終你還可以回到出發(fā)的地方。除了在恒星或是行星這樣的大型物體的周圍，時(shí)空中的任意一點(diǎn)在局部看來(lái)都是平坦的，但是，從整個(gè)宇宙的大尺度上來(lái)看，時(shí)空中的每一處都會(huì)有輕微的彎曲。

可是，在當(dāng)時(shí)主流的科學(xué)觀點(diǎn)和人們所感知的宇宙都是相當(dāng)穩(wěn)定的，除了偶爾會(huì)出現(xiàn)一些極端罕見(jiàn)的事件，比如超新星爆發(fā)產(chǎn)生的閃光以及大質(zhì)量黑洞之間并合產(chǎn)生的引力波等等。除了這些，我們頭頂?shù)囊箍湛雌饋?lái)似乎都是永恒不變的，這也是我們把大部分的星星叫做恒星的原因。

這種宇宙展現(xiàn)出的永恒不變也給了愛(ài)因斯坦一種錯(cuò)覺(jué)，他認(rèn)為場(chǎng)方程所展現(xiàn)的宇宙也應(yīng)該是靜態(tài)的，但是，結(jié)果并沒(méi)有讓他滿意。根據(jù)場(chǎng)方程描述的宇宙必定是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的宇宙，它要么處于膨脹之中，要么處于收縮之中，而一個(gè)靜態(tài)的宇宙在現(xiàn)實(shí)中是不可能存在的。

在自然界中，引力是最弱的力，但是它是無(wú)處不在的，無(wú)法阻擋，而且只有一個(gè)方向。

這是引力與電力或者是磁力不同的地方，甚至引力沒(méi)有相反的作用力，它只會(huì)使物體聚集在一起，而不會(huì)使物體分開(kāi)，這就讓愛(ài)因斯坦意識(shí)到宇宙中所有物體間的引力應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致宇宙自身的坍縮。

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，天文學(xué)的研究和觀測(cè)卻從未發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)可以表明宇宙中所有的恒星都在彼此靠近，最終聚集在一起形成災(zāi)難性的坍縮。真實(shí)的狀況卻是正好相反的。

愛(ài)因斯坦提出的問(wèn)題并不是一個(gè)新問(wèn)題，也不是專屬于廣義相對(duì)論的問(wèn)題。如果將牛頓的萬(wàn)有引力理論應(yīng)用于整個(gè)宇宙，也會(huì)得出宇宙正在坍縮的結(jié)論，牛頓對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解決方法，是把上帝搬出來(lái)，將宇宙中本將聚攏的恒星給分開(kāi)。

不過(guò)愛(ài)因斯坦可能覺(jué)得他需要一個(gè)比這更具科學(xué)性的解釋，只是他的場(chǎng)方程中并沒(méi)有什么能阻止這種坍縮發(fā)生的東西。

在愛(ài)因斯坦看來(lái)，他的場(chǎng)方程是“不平衡”的，它們描述的宇宙會(huì)朝向不同的方向“傾斜”，而這就會(huì)導(dǎo)致其預(yù)言的宇宙是動(dòng)態(tài)的。為了讓這些方程得出靜態(tài)宇宙的結(jié)果，愛(ài)因斯坦試圖在方程里引入一個(gè)新的項(xiàng)使得場(chǎng)方程更加平衡。這只是一個(gè)數(shù)學(xué)意義上的“修正”，除了保持平衡之外并沒(méi)有任何實(shí)際意義，這個(gè)引入項(xiàng)就是宇宙學(xué)常數(shù)。

這些方程式畢竟代表了一套物理的系統(tǒng)，對(duì)于其中包含的每一項(xiàng)都應(yīng)該能給出一個(gè)有物理意義的解釋。

如果要讓新引入的這個(gè)項(xiàng)防止宇宙自身的坍縮，那么它就必須對(duì)時(shí)空施加一種反引力的力，也就是負(fù)的、類似于引力的斥力。

這種斥力的大小可以隨著距離的增加不斷累積，從而抵消由質(zhì)能引發(fā)的時(shí)空彎曲的影響。這樣一來(lái)，場(chǎng)方程就形成了完美的平衡，也由此得到了一個(gè)現(xiàn)在看來(lái)并不穩(wěn)定的靜態(tài)的宇宙。

這終究是一種無(wú)法令人滿意的折中方案，因?yàn)槌巳粘Ｓ^察表明宇宙似乎是穩(wěn)定、靜止的之外，沒(méi)有任何證據(jù)或是理論推導(dǎo)能夠證明宇宙學(xué)常數(shù)的引入是有必要的。

愛(ài)因斯坦自己也覺(jué)得人為加入的宇宙學(xué)常數(shù)破壞了方程的優(yōu)美簡(jiǎn)潔，后來(lái)也為此感到后悔，認(rèn)為這是他一生中犯過(guò)的最大的錯(cuò)誤。

改變發(fā)生在1931年.

美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃和他的助手米爾頓·赫馬森發(fā)表了一系列觀測(cè)報(bào)告，他們得出的結(jié)論是：

我們?cè)谟钪嬷杏^測(cè)到的大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離我們。宇宙根本不是靜止的，也不是在收縮，而是正在膨脹。

有關(guān)宇宙膨脹的證據(jù)，實(shí)際上是經(jīng)過(guò)了天文學(xué)家們多年的努力慢慢累積起來(lái)的。這方面的工作始于1912年。

當(dāng)時(shí)美國(guó)天文學(xué)家維斯托·斯里弗正在位于亞利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄爾天文臺(tái)工作。他運(yùn)用多普勒效應(yīng)研究了星云的速度，發(fā)現(xiàn)來(lái)自仙女星云，就是不久之后被重新命名為仙女星系的那個(gè)星系發(fā)出的光發(fā)生了藍(lán)移（光波被壓縮），并由此計(jì)算出它正在以大約每秒300千米的速度朝向我們銀河系移動(dòng)。

然而，當(dāng)收集到更多其他星系的數(shù)據(jù)時(shí)，他發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系發(fā)出的光都是紅移的，并且計(jì)算出它們都在以每秒1100千米的速度遠(yuǎn)離我們。

到了20世紀(jì)20年代，哈勃與赫馬森利用位于加利福尼亞州帕薩迪納附近的威爾遜山上的直徑100英寸望遠(yuǎn)鏡，收集了更多星系的數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系確實(shí)在朝遠(yuǎn)離我們的方向運(yùn)動(dòng)。

哈勃還從中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單到近乎不可想象的關(guān)系，距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，運(yùn)動(dòng)速度越快，這就是哈勃定律。

在這種膨脹的宇宙中，實(shí)際上是時(shí)空在膨脹，因此時(shí)空中的每一個(gè)點(diǎn)都在相互遠(yuǎn)離。這就意味著光譜頻率的紅移實(shí)際上并不是由光在空間中傳播時(shí)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)引起的，而是一種宇宙學(xué)紅移，它是由光所處的時(shí)空膨脹引起的。

愛(ài)因斯坦在他的場(chǎng)方程中引入了宇宙學(xué)常數(shù)作為對(duì)于時(shí)空本身的一種修正，目的在抵消由質(zhì)能引起的時(shí)空彎曲的影響。

如果把它移到等式另一邊，它所代表的就是宇宙總質(zhì)能中的某一個(gè)正的貢獻(xiàn)。但它代表的并不是我們所熟悉的屬于恒星和行星的那種質(zhì)能，它仍然取決于時(shí)空的結(jié)構(gòu)，并表明“空曠”的時(shí)空中存在著一種能量，有些人稱之為真空能。

事實(shí)上，宇宙學(xué)常數(shù)正比于真空能量密度，也就是“空曠”的時(shí)空中單位體積內(nèi)所含的能量。

如果說(shuō)宇宙正在膨脹，那么從時(shí)間上往回追溯就可以做出這樣的一個(gè)推斷，一定會(huì)有某一個(gè)時(shí)刻，宇宙中的所有能量都?jí)嚎s在一個(gè)無(wú)窮小的點(diǎn)上，而這個(gè)點(diǎn)的爆發(fā)就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的“宇宙大爆炸”。

雖然目前為止，我們還沒(méi)有發(fā)展出有效的科學(xué)理論來(lái)描述宇宙演化的“開(kāi)始”，但是，如果對(duì)宇宙膨脹時(shí)的大小和溫度做出一些假設(shè)，我們就能很有把握地運(yùn)用目前公認(rèn)的理論來(lái)解釋。

1964年，無(wú)線電天文學(xué)家阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室的霍姆德?tīng)栄芯恐行氖状伟l(fā)現(xiàn)了宇宙歷史上一個(gè)重大事件的“余暉”，我們稱之為宇宙微波背景輻射，這就是宇宙射出的第一束光。 

到這里如果你以為，我們現(xiàn)在已經(jīng)擁有了足以在大爆炸中構(gòu)建整個(gè)宇宙的全部要素，那可就大錯(cuò)特錯(cuò)了。

1934年，瑞士天文學(xué)家弗里茨·茨維基通過(guò)觀測(cè)星系團(tuán)發(fā)現(xiàn)，距離中心越遠(yuǎn)的天體反而公轉(zhuǎn)速度越快，這就意味著這里的引力一定比我們根據(jù)可見(jiàn)恒星的質(zhì)量推測(cè)出的引力要強(qiáng)得多。

茨維基的結(jié)論是，根據(jù)觀測(cè)到的公轉(zhuǎn)速度來(lái)推測(cè)，星系團(tuán)有多達(dá)90%的質(zhì)量都“消失”了，或者說(shuō)是不可見(jiàn)的。他稱之為“短缺質(zhì)量”。

1975年，美國(guó)天文學(xué)家薇拉·魯賓和她的同事肯特·福特對(duì)單個(gè)星系中的恒星公轉(zhuǎn)速度進(jìn)行了測(cè)量，他們觀測(cè)到了與弗里茨在星系團(tuán)上觀測(cè)到的同樣的效應(yīng)。

在星系邊緣處，恒星的公轉(zhuǎn)速度比基于可見(jiàn)恒星的質(zhì)量推測(cè)出的公轉(zhuǎn)速度要高得多。通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到的公轉(zhuǎn)速度曲線圖只能這樣解釋，每個(gè)星系都位于由某種不可見(jiàn)的物質(zhì)組成的“光暈”中心，這種光暈如今被稱為“暗物質(zhì)”。

在20世紀(jì)90年代初期，還有另外一個(gè)遲遲未解的問(wèn)題。大質(zhì)量天體引起了時(shí)空的彎曲，但是在局部的視角下，時(shí)空還是平直的。

我們對(duì)于宇宙的觀測(cè)結(jié)果也是這樣，符合歐氏幾何的理論。除了黑洞、星系以及單個(gè)的恒星和行星等因素造成的時(shí)空彎曲之外，整個(gè)宇宙中的時(shí)空大致上都是平直的，只有時(shí)空的膨脹與時(shí)空中的質(zhì)能達(dá)到完美的平衡時(shí)，才有可能出現(xiàn)這樣的平直的時(shí)空。

宇宙學(xué)家在宇宙中找到的所有質(zhì)能都不足以維持時(shí)空的平直，甚至加上暗物質(zhì)也不夠。

20世紀(jì)90年代初，算上已觀測(cè)到的以及據(jù)此推測(cè)出的暗物質(zhì)，宇宙總質(zhì)量大約只有所需質(zhì)量的30%。如果這就是宇宙中的全部質(zhì)能，那么我們所處的宇宙應(yīng)該是開(kāi)放的宇宙，時(shí)空也應(yīng)該會(huì)有負(fù)向的彎曲。

可供天體物理學(xué)家選擇的解釋并不多。他們這時(shí)候意識(shí)到，愛(ài)因斯坦之前人為加入的那一項(xiàng)，可能真的在和宇宙相關(guān)的方程式中扮演了重要的角色。質(zhì)能密度占30%，和宇宙學(xué)常數(shù)相關(guān)的真空能密度占70%，這可能是唯一一種可以解釋我們宇宙為何是平直的的辦法。于是，真空能有了一個(gè)更加廣為人知的名稱——“暗能量”。

可見(jiàn)光、暗物質(zhì)、暗能量等質(zhì)能的密度不同，導(dǎo)致對(duì)宇宙不同歷史時(shí)期的膨脹速度有不同的預(yù)測(cè)。所以，如果我們能確定宇宙實(shí)際的膨脹過(guò)程，我們就能確定每一種物質(zhì)的密度。

由于光速是有限的，觀察遙遠(yuǎn)的事件就是在回顧宇宙的歷史。因此當(dāng)我們觀察宇宙中非常遙遠(yuǎn)的地方發(fā)生的事件時(shí)，我們所看到的就是它們?cè)诤芏嗪芏嗄昵皠倓偘l(fā)出光時(shí)的樣子。

1998年，兩個(gè)獨(dú)立的天文學(xué)家小組報(bào)告了由某顆超新星照亮的遙遠(yuǎn)星系的紅移測(cè)量結(jié)果。這兩個(gè)小組分別是美國(guó)天文學(xué)家索爾·珀?duì)栺R特領(lǐng)導(dǎo)的超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目（SCP），以及澳大利亞和美國(guó)雙重國(guó)籍的天文學(xué)家布賴恩·施密特和美國(guó)天文學(xué)家尼古拉斯·桑澤夫組織的高紅移超新星搜索小組。這兩個(gè)小組報(bào)告的結(jié)果表明，與當(dāng)時(shí)主流的預(yù)測(cè)相反，我們宇宙中的時(shí)空實(shí)際上是在加速膨脹的。

能解釋這種現(xiàn)象的就只有暗能量了，并且由于暗能量起到的作用相當(dāng)于宇宙學(xué)常數(shù)，愛(ài)因斯坦提出的這一項(xiàng)自此不再只是人為捏造的結(jié)果了。

現(xiàn)在，學(xué)界終于對(duì)于大爆炸宇宙學(xué)的其中一個(gè)版本達(dá)成了共識(shí)，它有很多不同的名稱，比如“協(xié)調(diào)”模型、“大爆炸宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型”或是Λ–CDM模型，其中Λ代表宇宙學(xué)常數(shù)Λ，CDM則代表冷暗物質(zhì)。

到這里，對(duì)宇宙的科學(xué)探索歷程中，我們有了一個(gè)基于愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的模型，它把現(xiàn)代宇宙學(xué)、天文學(xué)和天體物理學(xué)的觀測(cè)結(jié)果都納入其中，這是它的優(yōu)點(diǎn)。

然而，這個(gè)模型也為我們揭示出，我們對(duì)宇宙在很大程度上仍是無(wú)知的。雖然知道我們所生活的宇宙中離不開(kāi)暗物質(zhì)的存在，我們也可以測(cè)量它的引力效應(yīng)，但是我們還是不知道暗物質(zhì)到底是什么。雖然我們觀察到了宇宙在加速膨脹，但是我們還是無(wú)法解釋清楚暗能量為何存在，以及它到底是什么。

這個(gè)已知的宇宙中有95%以上的東西我們都沒(méi)有真正的解釋，我們被這些至暗的質(zhì)能所包圍。

來(lái)自遙遠(yuǎn)類星體的影像在前景星系及其附近暗物質(zhì)團(tuán)塊的引力作用下，被“一式四份”

關(guān)于宏觀上的物質(zhì)探索旅程到這里就到達(dá)終點(diǎn)了，下一次咱們開(kāi)啟微觀物質(zhì)探索的旅程，期待你繼續(xù)加入我們的隊(duì)伍，咱們下期見(jiàn)。

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