不断扩张的宇宙

爱因斯坦在1915年发表他伟大的研究成果，但不是他著名的方程式 ，也不是为他带来诺贝尔奖荣耀、关于光的本质研究。这个理论被称为“广义相对论”，描述重力如何影响时间与空间。我们在中学时期学过牛顿的重力理论：重力是某种物体之间互相吸引却不可见的力。这种叙述当然没错，我们的确生活在一个受地球重力主宰的世界里，重力将我们拉向地球表面。牛顿的万有引力定律也可以解释月亮为什么会绕着地球公转，其引力如何影响地球的潮汐；它同时解释地球如何绕太阳公转，并且确认哥白尼以太阳为中心的太阳系模型。

美国航空太空总署（NASA）的阿波罗计划将航天员送上月球时，根据的就是牛顿万有引力所做的预测。这个学说毫无疑问是正确的，但它并非完全精确。

爱因斯坦的广义相对论用一种截然不同却远为精准的方式来描述重力。它指出，重力并不全然是一种普通的“力”，也就是说，它不是一条将两个物体拉近的隐形橡皮筋，而是一切带有质量的物体周遭空间形状的某种度量。写到这里，我相信除非读者本身具有物理背景，否则这些解释还是像天书一样难以理解。不过别担心，当爱因斯坦刚发表他的理论时，据说全世界只有另外两位科学家能够理解。时至今日，在经过各种实验的严格测试之后，我们已经确认广义相对论的正确性。

既然我们的宇宙是充满物质的空间，而且所有物质基本上都受重力主宰，爱因斯坦及其他同僚马上想到，也许广义相对论可以用来描述整个宇宙的特性。然而，爱因斯坦随即碰到一个棘手的难题。假设宇宙中所有星系在某个时刻相对于彼此是静止的，而且如果宇宙的大小有限，引力将会使彼此逐渐靠近对方，最终导致整个宇宙的坍缩。当时普遍公认的宇宙观认为，宇宙在星系的尺度以上是恒常不变的；一个随着时间演变的动态宇宙，不但与主流想法脱节，也显得多余。因此，当爱因斯坦发现广义相对论的方程式得出宇宙必将收缩的结论时，他决定设法补救这个漏洞，而非构思出另一个石破天惊的解答。他假设，为了平衡向内拉的引力，宇宙中必须有另一个作用方向相反的反重力，称为宇宙斥力。这个宇宙斥力恰好能够与各种物质之间的万有引力达成平衡，使得星系不会彼此撞在一起，并且使得宇宙维持在恒定状态。爱因斯坦想出的上述办法说穿了是一种数学技巧，让他的广义相对论能妥协于“已知”的稳态宇宙模型。

接着，令人意想不到的进展出现了。 1922年，一位俄国宇宙学家亚力山大·弗里德曼想出不同的解答。有没有可能爱因斯坦弄错了，其实并没有协助宇宙保持稳态平衡的反重力？他了解到，如果真的如此，宇宙并不见得会因重力作用而坍缩，其实也有可能在扩张。不过这怎么可能呢？没有宇宙斥力的话，宇宙不是应该要缩小而非扩张吗？请看以下的说明。

设想某种原因（例如初始时期的爆发）让宇宙一开始就处于扩张的状态。物质之间互相吸引的重力会让扩张减缓。因此，如果用来抵消引力的宇宙斥力不存在，宇宙又一开始就在扩张，现在的宇宙应该不是在扩张就是在收缩。唯一不可能出现的是稳态宇宙，也就是在扩张与收缩之间取得平衡；宇宙的状态是不稳定的。

以下的范例足以说明为何如此。想想看光滑斜坡上的球是怎么滚动的：如果将一颗球直接放到斜坡上，它必定会往下滚。然而，如果我们观赏一段球在斜坡上滚动的影片，当球滚到斜坡中间时将影片暂停，然后请第三者预测影片恢复播放后球的滚动方向。如果他们经过仔细思考，就会回答球可能往斜坡上滚（对应于扩张中的宇宙），也可能往下滚（收缩中的宇宙），但不会停在斜坡上静止不动。要让球往上滚的唯一办法，当然要有人在一开始时踢它一脚。在这种情况下，球向上滚的速度会逐渐减慢，最终会停下来并开始往下滚。

没有人打算相信弗里德曼的理论，包括爱因斯坦本人——直到发现观测上的证据。几年后证据就出现了。埃德温·哈勃是第一位证明银河系外还有其他星系存在的天文学家。在此之前，一般认为望远镜中所见许多一小抹的微弱光晕是银河系内的星际尘埃，称为星云。透过强力望远镜，哈勃发现这些星云根本离地球太远，不可能是银河系的一部分，因此他们本身必然就是其他星系。更引人注目的是，他的观测显示遥远的星系正在远离地球，而且远离速率与距离地球的远近相关。不论望远镜朝向天空的哪个方向，都能观测到此一现象。他的发现证明了弗里德曼关于宇宙正在扩张的想法是正确的。

哈勃更进一步准确地指出，既然宇宙在扩张，那么过去的宇宙必然较现在为小。如果将时间回溯到够久以前，我们将会回到某个所有星系彼此重迭的时刻，当时的宇宙拥挤不堪。继续回溯到更早的时间，所有物质将会愈靠愈近，直到我们回到宇宙创生的那一刻，也就是现今称为“大爆炸”的宇宙大爆发。（天体物理学家弗雷德·霍伊尔于1950年代首度使用“大爆炸”一词。）

在此必须特别说明，一般人常误以为宇宙扩张是指所有其他星系都在远离我们而去；这是错误观念。真正扩张的其实是星系之间虚无的空间。另一件值得说明的有趣事实是，我们隔邻的仙女座星系正朝着我们撞过来！根据目前所估计的宇宙扩张率，它应该以每秒五十公里的速率远离我们。反之它却以每秒三百公里的速率接近我们！之所以产生这种矛盾，是因为星系在宇宙中并非均匀分布，就像星星不是均匀分布在星系中一样。在哈勃所观测到的现象里，离我们而去的是极为遥远的星系，而非我们所在的本星系群的组成星系。

银河系与仙女座星系彼此接近的速率相当于两分钟内绕地球一圈，或是在一周内从地球航行到太阳的距离。事实上，这两个星系正在进行碰撞的程序，按照目前的进行速度估计，两个星系需要耗时数十亿年才会完全迭在一起。

关于宇宙扩张要说明的最后一点是，宇宙扩张速率正在逐渐增加。似乎有某种比重力还强的作用力将星系彼此推开，使扩张逐渐加速，与预期中重力会使扩张减慢的结果大不相同。这似乎是来自某种神秘的反重力作用，由于尚未找到更恰当的名称，我们暂且称它为“暗能量”。爱因斯坦关于宇宙斥力的想法看来终究不算太疯狂，只是它似乎正在将宇宙撕裂，而不是维持恒定。

现今的宇宙学家相信，尽管宇宙从140亿年前诞生到现在一直在扩张，但是由于它所包含物质的重力作用，前70亿年间扩张速率是逐渐减慢的。后70亿年之中，由于星系分布过于稀疏，使得引力的效应转弱。此时暗能量开始取得优势，导致空间扩张愈来愈快。这意味着宇宙永远不会再度坍缩，也就是宇宙不会毁于“大崩坠”（直到1998年发现宇宙加速扩张之前，大崩坠被认为是宇宙可能的最终命运之一）；相反地，所有物质因为远离彼此而永远被孤立，导致宇宙终将死于“热寂”（heat death）。这个想法令人意志消沉；不过，我们的寿命不会长到需要去烦恼这些问题。