膨胀的字宙

1922年，一个默默无闻的苏联数学家弗利德曼，应用不加宇宙项的场方程，得到一个膨胀的或脉动的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三维空间上也是均匀、各向同性的，不过，它是动态的。这个宇宙模型随时间变化，可以分三种情况。第一种情况，三维空间的曲率是负的；第二种情况，三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的；第三种情况，三维空间的曲率是正的。前两种情况，宇宙一直在膨胀；第三种情况，宇宙先膨胀，达到一个极大值后开始收缩，然后再膨胀，再收缩……因此第三种宇宙是脉动的。弗利德曼的宇宙模型最初发表在一个不是很有名气的杂志上。后来，西欧一些数学家物理学家得到类似的宇宙模型。著名科学家爱因斯坦知道这些膨胀或脉动的宇宙模型后很激动。相比之下，他觉得这比自己的模型做得好，自己的模型应该放弃，而弗利德曼的模型才是准确的宇宙模型。

而且，爱因斯坦还做出声明，称自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是不正确的，场方程不应该包含宇宙项，而更应该是原来的老样子。不过，宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼，再也收不回去了。爱因斯坦的意见并没有被后人所接受，他们继续讨论宇宙项的意义。因此，现在的广义相对论的场方程分为两种，其中一种不含宇宙项，而另一种含宇宙项，这些都在专家们的应用和研究中。

大约是在1910年，有些天文学家就发现很多星系的光谱有红移现象，个别星系的光谱还有紫移现象。这些现象可以用多普勒效应来解释。远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移的现象，也就是光谱线向长波方向移动的现象。反之，向着我们迎面而来的光源，光谱线会向短波方向移动，出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应相似。很多人可能都有过这样的感觉：迎面而来的火车，它的鸣叫声非常尖锐刺耳，远离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝。这就是所谓声波的多普勒效应，面对扑面而来的声源发出的声波，人会感到它的频率增高，而渐渐远离我们的声源发出的声波，人则会感到它的频率下降。

假如现在认为所谓星系的红移、紫移，都是多普勒效应，那么大部分星系都是在远离我们，向我们靠近的只是个别星系。尔后进行的研究中我们发现，那些个别向我们靠近的紫移星系，都在我们自己的本星系团中。其实本星系团中的星系，大部分红移，小部分紫移；但是其他星系团中的星系全部都是红移了。

在1929年的时候，美国的天文学家哈勃对当时的一些观测数据进行了总结，提出一条经验规律，河外星系（即我们银河系之外的其他银河系）的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。根据红移量和光源的速度是成正比的规律，所以，上面所说的定律也可以表述为：河外星系的退行速度和它们离我们的距离成正比：

V=HD

在这个公式中，V是河外星系的退行速度，D是它们到我们银河系中心的距离。这个定律被称为哈勃定律，比例常数H称为哈勃常数。根据哈勃定律来分析，全部的河外星系都在逐渐远离我们，并且离我们越遥远的河外星系，离开的速度也会越快。在哈勃定律所反映的规律和宇宙膨胀理论是一致的。少数星系的紫移也能够这样来说明，本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动。所以，一定会有一少部分星系在某些时间内向我们的银河系靠近。不过，此种紫移现象和宇宙整体的膨胀没有关系。

分析一下就可以知道，哈勃定律在很大程度上支持了弗利德曼的宇宙模型。但是，假如查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图，人们会感到惊讶。在距离与红移量的关系图中，哈勃标出的点并不集中在一条直线附近，而是比较分散的。哈勃怎么敢于断定这些点应该描绘成一条直线呢?一个可能的答案是，哈勃抓住了规律的本质，把它的细节给抛开了。另外一个可能性就是，哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论，因此大胆地认为自己的观测与该理论一致。以后的观测数据也更加精确，数据图中的点也越来越集中在直线附近，哈勃定律最终被大量实验观测所确认。