楊美蘭

20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)莫過于宇宙膨脹理論——近鄰的星系以及遙遠(yuǎn)的星系都在遠(yuǎn)離我們，而遙遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離的速度更快，就好像整個(gè)宇宙在膨脹伸展。從宏觀的角度看，事實(shí)也確實(shí)如此。如果我們能看到足夠遠(yuǎn)的地方還會(huì)發(fā)現(xiàn)，遙遠(yuǎn)地帶的星系仿佛被巨大的力量裹挾著，以非常快的速度被越推越遠(yuǎn)，我們發(fā)射的任何信號(hào)都無法到達(dá)這些星系，即使信號(hào)的傳播速度為光速。

然而，如果宇宙正以超過光速的速度膨脹，為何我們卻感覺不到？我們周圍的原子、動(dòng)物、地球以及太陽系、銀河系依然保留著恒定的尺寸，并沒有變胖，而且，太陽系中各個(gè)行星之間的距離沒有發(fā)生變化，地球與太陽的距離還是像以前一樣遠(yuǎn)。如果我們的感覺是正確的，那么宇宙中到底是什么東西在膨脹呢？

宇宙從未穩(wěn)定過

最初，人類對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)源自牛頓，他將宇宙視為一張完全固定的網(wǎng)格，物質(zhì)填充在這張網(wǎng)格中，通過萬有引力和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，維持著絕對(duì)的平衡。后來愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，宇宙的網(wǎng)格并不是像牛頓所描述的那樣固定，隨著時(shí)間的流逝，它可以扭曲拉伸，不斷地變化，決定宇宙網(wǎng)格變化的正是網(wǎng)格中的流體、星體物質(zhì)以及輻射能量。然而，如果扭曲的宇宙時(shí)空中只有物質(zhì)，那么它們免不了會(huì)因?yàn)槿f有引力而塌縮到一起，形成黑洞，直至將整個(gè)宇宙吞噬掉。愛因斯然并不喜歡這樣的推演結(jié)果，他在研究宇宙的引力場(chǎng)方程中特別引入了一個(gè)反引力的“宇宙常數(shù)”來抵消宇宙收縮的趨勢(shì)，這樣就可以讓宇宙處于一個(gè)近乎恒定的狀態(tài)。

但并不是所有科學(xué)家都覺得宇宙非穩(wěn)定不可，蘇聯(lián)物理學(xué)家亞歷山大·弗里德曼就認(rèn)為，愛因斯坦的“宇宙常數(shù)”實(shí)在是畫蛇添足。隨后，弗里德曼從數(shù)學(xué)上證明，如果不引入“宇宙常數(shù)”，同時(shí)又承認(rèn)宇宙中充滿了諸如輻射、流體等動(dòng)態(tài)物質(zhì)的話，那么宇宙將要么收縮下去，要么膨脹下去。

數(shù)學(xué)推演只能提供各種可能出現(xiàn)的“解”，科學(xué)家還是要通過在物理世界中實(shí)打?qū)嵉赜^察，才能弄清楚宇宙演化的方向。20世紀(jì)20年代，埃德溫·哈勃觀察了46個(gè)星座和星系，發(fā)現(xiàn)它們的光譜正在紅移，這說明它們正在移開。而且，哈勃還發(fā)現(xiàn)，星系移開的速度和它們之間的距離之比是一個(gè)常數(shù)，也就是說，它們離得愈遠(yuǎn)，分開的速度也愈快。這個(gè)關(guān)系，被稱為哈勃定律，宇宙膨脹理論就此誕生了。

我們感受不到宏大尺度變化

根據(jù)哈勃定律，宇宙膨脹的方式仿佛有點(diǎn)反直覺——宇宙網(wǎng)格本身在不斷拉伸，其中物體間的距離被越拉越遠(yuǎn)，如果一物離另一物越遠(yuǎn)，其間的拉伸就越多，相互遠(yuǎn)離就越快。這種情況下，如果宇宙中的物質(zhì)均勻分布，那么物質(zhì)的密度會(huì)越來越小，我們自然會(huì)變胖。但是，宇宙中的物質(zhì)并不是均勻分布的，其中有質(zhì)量密集的區(qū)域，比如星系和星系團(tuán)，也有密度稀疏的區(qū)域，比如巨大的宇宙空洞，這些空洞幾乎沒有質(zhì)量。宇宙之所以會(huì)這樣，是因?yàn)橛钪嬷形镔|(zhì)之間存在多種物理作用。在小尺度上，比如動(dòng)物大小的層面，電磁力和核力起主要作用;在大尺度上，比如恒星、星系的層面，萬有引力起主要作用;在極為宏觀的尺度上，星系在遠(yuǎn)離，星系團(tuán)在分解，宇宙的膨脹起主要作用。據(jù)研究，宇宙的原動(dòng)力來自神秘的暗能量，到目前為止，科學(xué)家對(duì)這種神秘的暗能量知之甚少。

所以，在宇宙中，宇宙膨脹和萬有引力是彼此最大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。即使距離我們只有5000萬光年的室女座星系，因?yàn)橛钪媾蛎洠矡o法通過萬有引力把太陽系吸引過去;而太陽系甚至銀河系中的星球，則通過萬有引力消解了宇宙膨脹的效果，穩(wěn)定地捆綁在一起。也只有通過這樣的競(jìng)爭(zhēng)，地球和人類才可以穩(wěn)定地、長期地存活下來，即使是不斷膨脹的宇宙也對(duì)我們無可奈何。