膨胀中的宇宙

哈勃发现，所有的星云其实都是一个银河系以外的星系，他称之为“河外星系”。哈勃于是从一个星云迷升级为了星系迷，痴迷的程度也越来越强烈。在随后几年的观测中，他又有了一个惊人的发现：所有遥远的星系都存在红移现象。

为了解释什么叫红移，我得先让你搞明白另外一个名词，也就是多普勒效应，因为起先大家认为星系的红移是由多普勒效应引起的。

多普勒（Christian Andreas Doppler，1803年～1853年）是奥地利一位数学家、物理学家。1842年的一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。他对这个物理现象产生了极大兴趣，并进行了研究，发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率而形成的现象，即频移现象。具体来说就是声源相对于观测者在运动时，观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉；而当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关，这一比值越大，改变就越显著。后人把这个发现称为“多普勒效应”。

多普勒效应对所有的波都是成立的，而我们知道光是一种电磁波，自然也就会存在多普勒效应。当一个光源远离我们而去的时候，光波就会被拉长，从光谱上来看，就是向着红端移动，这就被称为红移现象。与之相对的，如果光源是朝向我们运动的话，就会产生蓝移现象。

哈勃发现不但几乎所有的星系都存在红移现象，而且越是遥远，红移得越厉害。他用数年时间，测定了上百个星系的红移大小，然后换算成了他们的视向速度，把它们集中在一张图上：

图15-1　哈勃绘制的星系红移统计图

一看到这张图，只要对数学稍稍敏感一点的人都不难看出，视向速度和星系的距离成正比例关系，是一个典型的一次函数的解析图。哈勃当然也立即由此提出了天文学上大名鼎鼎的哈勃定律：V=HD。这里的V表示星系远离我们的退行速度，D表示星系的距离，H则是哈勃常数。该定律也可以变形为H=V/D，也就是星系的退行速度与距离之比是一个定值。不好意思，我好像想起来前文曾经说过不再出现公式了，你们忘了吧，当我胡言乱语。

哈勃定律看上去仅仅是一个简单的数学公式而已，但你能看出它背后蕴含的惊天秘密吗？连伟大的爱因斯坦也被哈勃的这个发现搞得激动得睡不着觉。现在让我来帮你解读一下：

哈勃定律适用于宇宙中任何一个观测点，我们的银河系并没有任何特殊性。也就是说，你站在宇宙中任何一个位置观看，都会发现所有的星系都在远离你而去，这是一个什么概念呢？只有在一种情形下，才会出现这样的景观，那就是宇宙整体正在膨胀中。我们想象一个气球（我承认这个例子太大众化了，似乎每一篇谈及这个问题的科普文章或书本都在用这个例子，但确实没有比这个例子更好的比喻了），在气球上面用笔随便画一些点，然后吹大这个气球，此时，不论你以气球上的哪个点为参照，你都会发现所有的点都在远离这个参照点。这个气球就是哈勃观测到的宇宙，所有星系都在互相远离，表明了我们的宇宙正在膨胀中。

讲到这里，必须要补充一点，现代天文学的观点认为：星系的红移现象并不是由于多普勒效应造成的，这是天文科普书中常见的一个误区，星系的红移恰恰是由于宇宙膨胀本身造成的。如果把宇宙想象成一块有弹性的布，光是缝在上面的线，那么把这块布拉长，上面的丝线也就跟着拉长了。这里的区别在于：多普勒效应造成的红移是一个恒定值，而宇宙膨胀本身造成的红移量是一个不断增大的值。

远在欧洲的爱因斯坦读到了哈勃的论文，惊讶得好几天睡不着觉，因为哈勃的这个发现与他提出的广义相对论竟然能够互为印证。但真正让爱因斯坦吃惊的，是他自己居然因为不相信宇宙会膨胀而生生地在他的广义相对论方程中添加了一个不必要的常数，以维持宇宙的稳定，据说这是爱因斯坦自认为一生中最大的错误。不过我最近看书才发现，所谓的爱因斯坦的这句话，其实最早是从另外一个俄裔物理学家伽莫夫口里转述出来的，真假难定。有关爱因斯坦的这段妙趣横生的故事，请参考我的另一本有趣的书《时间的形状——相对论史话》。

爱因斯坦在惊讶之余，还胸闷了好几天，因为他仿佛看到了苏联朋友的得意笑容。这个苏联数学家叫做弗里德曼（Alexander Friedman，1888年～1925年），他在研习了爱因斯坦的广义相对论后，曾经发表论文指出爱因斯坦的那个宇宙常数是画蛇添足，我们所处的宇宙就是在膨胀中的，并且在宇宙最初的时候，只是质量和密度接近无限大的一个点而已。

爱因斯坦看到弗里德曼的论文后第一反应便是荒谬，宇宙怎么会开始于一个点呢？宇宙应该是和谐而稳定的才符合他心目中崇高的哲学准则。现在好了，那个美国后辈哈勃证明了宇宙膨胀，弗里德曼是对的，而他是错的，爱因斯坦只好服输。

这就是真正的科学精神，科学遵从的是证据法则，谁能提出更强有力的证据，谁的理论就会得到认同。科学家与科学家之间使用的是同一种语言，对于研究对象采用的是同一个定义，因此科学家与科学家之间很容易在证据面前达成共识。

而与之形成鲜明对比的是：哲学家和哲学家之间往往使用的不是同一种语言，这个哲学家说的“天”和那个哲学家说的“天”往往不是一个概念，所以我们会看到，几乎很少有哲学家会对同一个概念达成完全一致的观点。就我看过的一些哲学类书籍而言，我感觉哲学似乎不需要给概念下定义，实际上哲学家努力想达到的一个效果，就是让每个阅读的人产生自己不同的感悟。在这里并不是批判哲学有什么不好，我只是想告诉大家：科学和哲学有很大的区别，不要把它们混为一谈。哲学家罗素曾经在《西方哲学史》的概述中说：“哲学只研究问题，不负责解决问题。”你想哲学问题的时候，就用哲学的思维，想科学问题的时候，就用科学的思维。比如说面对“人从哪里来，要到哪里去？”的问题，哲学思维可以按每个人自己的想法来理解这个“哪里”，而科学思维就必须问清楚“人”和“哪里”的定义到底是什么，缺了这个前提，科学拒绝回答这个问题。

可惜爱因斯坦没有活到今天，否则他又会从沮丧重回自信心爆棚，因为他自认为是最大错误的那个宇宙学常数，居然又以另外一种完全意想不到的方式复活了。这是我后面要讲的一个极有看头的故事，别急，你听我慢慢道来。