仰望星空:宇宙为什么会膨胀?

到了近现代,爱因斯坦提出了大名鼎鼎的广义相对论。在这个理论当中,有一个描述宇宙形态的方程,被称为引力场方程。爱因斯坦就发现:引力场方程预示着宇宙正在膨胀。

自打有人类文明时,人类就开始仰望星空,并且开始思考许多终极的奥义。比如:宇宙到底是什么样子的?

客观地说,人类拿出第一个像样一点的科学理论就是:地心说。很多人会认为地心说是伪科学。实际上,这个观点是有问题的。我们且不说地心说本身,我们单纯从高中学过的参照系的知识来看这个问题,其实地心说和后来的日心说区别并不大,只是选择的参考系不同而已。

客观地说,地心说是非常符合科学范式的。在当时的观测技术下,地心说其实已经够用,它和许多观测现象是很吻合的。不仅如此,地心说其实是一个套非常严密的理论体系。而人类构造地心说足足花了600年左右的时间,从毕达哥拉斯一直到托勒密。

后来,到了欧洲的中世纪,哥白尼提出了日心说,哥白尼的日心说其实和托勒密的地心说比起来,精度度是差不多的,并没有多少超越。

但我们如今依然很提倡哥白尼的精神。原因就在于哥白尼让那个时代的学者知道,地心说并非是绝对的权威,我们人类可以追求更好的理论体系。于是,在第谷、伽利略、开普勒的努力之下,人类对于宇宙的理论更加深入。后来,牛顿横空出世,提出了牛顿三定律和万有引力定律,统一了地球上和宇宙的物理学。

但是,万有引力让牛顿感到十分为难,为什么这么说呢?

我们知道,万有引力描述的是物质之间的引力,万物皆有引力。那按照这个想法,宇宙应该在引力的作用下逐渐向中心聚拢,最后收缩到一个点上。

但事实上,我们并没有发现任何这方面的天文学现象。因此,这就说明万有引力定律和现实发生了相互矛盾。牛顿当时很纠结,他提出了一个解决办法,他认为宇宙应该是无限大的。如果是这样的,宇宙就没有中心,或者说是处处都是中心,那么处处都会呈现引力的动态平衡,也就不会像中心聚拢了。

奥伯斯佯谬

牛顿开始完美地解决了这个问题。但实际上,很多学者是不服的。比如,牛顿之后100年,有一位学者叫做奥伯斯。

他就提出,如果宇宙是无限大的,那么意味着宇宙中存在着无限多的恒星,我们知道恒星都会发生,那么无限多的恒星发光,就应该把地球的天空照亮,地球也就不应该会有黑夜了,这就打脸了牛顿的观点。

这也被称为奥伯斯佯谬。我们还无法验证牛顿这种“宇宙无限大”的想法,但我们已经知道奥伯斯的这个想法也是有问题,首先,光传播也是有速度的,而不是瞬间的。其次,宇宙是有年龄的。基于这两点,就意味着并不是所有恒星发出的光都来得及到达地球。

标准宇宙模型

到了近现代,爱因斯坦提出了大名鼎鼎的广义相对论。在这个理论当中,有一个描述宇宙形态的方程,被称为引力场方程。爱因斯坦就发现:引力场方程预示着宇宙正在膨胀。

不过,爱因斯坦一直坚信:宇宙是永恒的,也就是说,宇宙是不随着时间变化的。于是,爱因斯坦在引力场方程中加了一个宇宙学常数,只要对宇宙学常数合理取值,就可以抵消宇宙的膨胀效应。

不过,爱因斯坦不久就迎来了打脸。当时,有个天文学家叫哈勃。他在观测银河系外的大部分星系时,他就发现,星系都在远离我们,而且是距离的逐渐变远,而且是越远,远离我们的速度越快。

如果这是天体在运动,那应该是应该是有的在靠近我们,有的在远离,而不是他观测到的现象。于是,就有科学家提出,宇宙膨胀是符合哈勃的观测结果,而且也符合爱因斯坦的引力场方程的描述。

据说,当爱因斯坦得知哈勃的方向时,就表示给引力场方程添加一个宇宙学常数是他一生当中做过最后悔的一件事。

按照哈勃的发现,似乎宇宙学常数应该被请出引力场方程。可万万没有想到,这件事情后来又发生了反转。

按照理论,宇宙大爆炸之后,宇宙发生剧烈的膨胀。但是我们所处的是一个物质主导的宇宙,物质是体现出引力作用的。因此,膨胀的速度会因为物质的引力,呈现出减速膨胀。科学家也一直是这样的认为。可是,到了1998年,就有科学家公布了他们观测Ia型超新星的结果,这个结果告诉我们,宇宙非但没有减速膨胀,相反,宇宙在加速膨胀。

那为什么宇宙会发生加速膨胀的呢?

科学家其实也没有完全搞懂,他们发现宇宙中存在着一种我们观测不到的物质,它可以提供与引力相反的作用:斥力。它还和真空有关,当宇宙的空间越大,斥力的作用就越明显。科学家把这种物质叫做:暗能量。除了暗能量,科学家还发现另外一个种也是观测不到的物质:暗物质。

暗物质和物质一样,是提供引力的。不过,根据目前的最新观测结果,我们知道暗能量占据了绝对的主导,占比远远超过暗物质和可见物质,这才使得宇宙加速膨胀。

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