一种真正特殊的膨胀

一种真正特殊的膨胀

勒梅特的功劳在于成功将理论（广义相对论）和观察进行了逻辑一贯的综合，建立了现代宇宙学的基础。但我们应该如何理解“膨胀”宇宙的概念呢？广义相对论给予了这个词一个特殊的含义：它关乎空间的膨胀，但不是说它在一个空间会占据越来越多位置的更广阔的框架中发生！在空间“之外”的框架是不存在的，空间体积增加，却没有占据其他物体的位置。直觉和想象在这件事中没有任何帮助。但幸运的是，非欧几何的数学框架完美地描述了这一情况：它被理解为时空弯曲的一个体现。

让我们来确定这个术语中的一点。常见的词汇将宇宙膨胀描述为“放大”，描述为随着时间流逝的空间“伸展”；在广义相对论中空间和时间的概念还没有很好的定义（甚至没有定义），所以遇到这些词语时不能看它的字面意思而是应该将它作为以一种直觉的方式来描述一种进程，而这进程已经被很好地定义了（见第60页“宇宙的剖面”）。在膨胀中，诸星系和空间是“相关联的”：星系相对于空间来说是静止的，但却随着空间膨胀，结果是星系之间的距离不断增加；我们就说这些星系是在“同移”（comobiles）。这些星系的情况就像烤炉中正被烘烤的糕点面团上的葡萄干，或者像正在充气的气球上的十字标记。这些类比还是有些不准确，因为——请记得——膨胀并不在空间之外的“其他环境”中。

图12：宇宙膨胀

哈勃常数

膨胀导致任意两个星系间的距离不断地增加。我们自己的星系当然也不能避免这一现象：所有其他的星系都在远离我们（同样也在远离其他任何星系），它们与我们之间的距离增长也随着它们的远离而越来越快。这一增长构成了膨胀速度，它引起了上章中解释过的光谱偏移。我们必须理解的是宇宙膨胀没有任何中心：当然，所有的星系都离我们的星系越来越远，但它们也同样离任何其他星系越来越远！我们再次看到这一膨胀完全不符合直觉……

哈勃定律指出一个星系观察到的远离速度取决于它与我们星系之间的距离，以及作为比例系数的哈勃常数H₀。这一常数代表了宇宙“目前的膨胀率”。勒梅特和哈勃已经在他们的文章中提出过哈勃常数的估计值，但后来却发现它被高估了10倍……天文学家们用了近一个世纪的时间，得益于越来越先进的天文望远镜，使H₀的估计值越来越精确，直到今天我们对它的估计值精确到了百分之几。近期的测量——由地球轨道上的天文望远镜实施——给出的H₀数值为约67千米每秒每百万秒差距（秒差距是天文距离单位，约等于3.26光年）。这就是说一个距离我们星系一百万秒差距的星系（即约326万光年）因为膨胀正以每秒67千米的速度远离。而位于一千万秒差距的星系则以十倍的距离远离，即670千米每秒，等等（但是这一规则在极远距离时变得更加复杂）。