膨胀的宇宙

爱因斯坦知道，自己的广义相对论在解释大尺度时空方面是有优势的，刚好可以用来研究宇宙。对于宇宙该如何下手呢？毕竟宇宙包括了一切。爱因斯坦提出了一条宇宙学原理，那就是：我们看到的宇宙四面八方都是均匀分布的。物理学行话叫作“宇宙具有各向同性”。

有关宇宙的计算都是从这条基本假设出发的，否则无法计算。一个理论体系的开端往往需要一些人为的规定。大尺度内，宇宙里的物质是均匀分布的。当然，这个尺度要达到星系团以上了。

在这个基础上，爱因斯坦提出，我们的宇宙是个有限无边的超球面。霍金在书里也提到了这一点。对于一个球，面积总是有限的，但是你找不到边界在哪里。超球面是普通球面的一个推广。如果这个超球面的曲率是正的，那么就是正常的球面，有限无边。假如是0，那么就是平面，无限无边。假如是负值，那么就是一个无限无边的马鞍面，也叫双曲面。

爱因斯坦描绘出了一个宇宙的数学模型，这个模型是可计算的。爱因斯坦的方程式一边是能量，方程的另一边是时空的弯曲，也就是时空的形状。他算来算去发现这个宇宙根本没办法处于静态。要么膨胀，要么收缩，反正就是不会老老实实静止。他实在憋不住，加入了一个宇宙常数。他希望把这个方程扯平，最好宇宙是不变化的，稳定的。后来据说爱因斯坦后悔得不得了，说这是他一生最大的错误。

真正计算出动态结果，而且还欣然接受的人是俄国人弗里德曼。霍金在“膨胀的宇宙”这一章里提到了弗里德曼。弗里德曼的思想和爱因斯坦的几乎一样，都是从宇宙学原理的角度去计算的。弗里德曼也算出了跟爱因斯坦类似的结果，他认为宇宙不是静态的，是动态的。所谓动态，就是说不是一成不变的，是会演化的，是有开端有结束的，也会有生有死。爱因斯坦不能接受一个有生有死，会变化的宇宙。因此他一晃脑袋不认账，他认为弗里德曼是错的。但是很快爱因斯坦就被打脸了，美国的天文学家哈勃发现了所谓的“哈勃红移”现象，证明了宇宙真的不是静态的。

哈勃是个了不起的天文学家。他所关注的是一个长久以来的迷团，宇宙里面有许多模糊不清的天体，就像一团云气。所以大家管他们叫作“星云”。有一些星云长得是个螺旋状，就像个大风车。这些大风车究竟是什么？有人怀疑，这是跟银河系一样的星系，当然，反对意见也很多，一时没有定论。

为什么大家吵起来没完没了，得不出结论呢？因为大家根本不知道这些天体离我们有多远。哈勃找到了一个很管用的办法，那就是利用造父变星。造父变星的亮度会周期性地波动，跟手机的呼吸灯一样，会呈现亮暗交替的周期。这个周期与造父变星的绝对亮度是有关系的。假如我们知道这颗星的绝对亮度，我们就可以测得距离。

哈勃在仙女座星云之中发现了一颗造父变星。在天文学尺度上，我们大约可以认为仙女座星云的距离跟这颗造父变星的距离是一样的。当时哈勃算出仙女座星云的距离是80万光年。哈勃当时计算误差比较大，真正的距离是254万光年。但是即便按照哈勃当时的计算，这个距离也比银河系的直径10万光年要大得多。所以，仙女座星云是一个比我们的银河系更加巨大的星系。所以我们现在都叫它仙女座大星系。

哈勃测量了许多星系的距离，而且也研究这些星系的光谱。星系中所蕴含的元素会在这些光谱上留下自己的痕迹。你如果有机会看到这些光谱的话，你就会发现，跟条形码差不多。经过学习和训练，你可以很容易辨认出某些细线是属于哪个元素的。但是，哈勃发现了一个奇怪的现象：有些星系光谱会发生偏移，普遍是向红光那端移动，所以称为“红移”，越遥远的星系，红移越大。那么这些红移是如何造成的呢？哈勃当时认为是多普勒效应。

所谓多普勒效应，大家在生活中是司空见惯的。有一辆汽车鸣着笛向你冲过来的时候，你听到音调是变高的。当从你身边开过的时候，你听到的音调突然变低了。这就是多普勒效应造成的。那么我们可以通过频率的变化来判断物体的运动速度和运动方向。光也是一样，光也是一种波。所以在哈勃看来，如果出现红移，就说明这些星系在远离我们，离我们越远的星系跑得越快。但是现在我们知道，这并不是多普勒效应，这一点霍金在书里没有讲明确。现在一般认为红移是宇宙的膨胀把光波的波长不断拉长导致的，是渐渐拉长的，不是像多普勒效应那样一步到位。

所以，哈勃红移并不是多普勒效应造成的，它是宇宙膨胀造成的，当时哈勃不知道这一点，不过这并不妨碍他得出宇宙正在膨胀的结论。1929年，哈勃发表了他的成果。听到这种消息，有两个人非常高兴，一个就是弗里德曼，另外一个人是勒梅特。勒梅特是一个比利时的神父，也是物理学家。霍金的书里没有提到他。我觉得不提到他有点对不住这个人。哈勃的发现说明什么呢？按照勒梅特的构想，这说明整个宇宙都在膨胀。我们可以做一个简单的类比。在一根橡皮筋上涂上几个色点。当我们拉长橡皮筋的时候，这些色点就会彼此远离。你如果恰好站在一个橡皮筋上去看这些色点的话，你就会发现，离你越近的色点跑得越慢，离你越远的跑得越快。你随便站在这根橡皮筋的任何一个位置，你都会看到这种现象。用宇宙的尺度扩张来解释这件事儿是最简单的一个说法。当然，霍金在书里提到的是吹气球，道理是一样的。但是皮筋好找啊，手边有的话，不妨自己试试看。

勒梅特也曾经用跟爱因斯坦和弗里德曼相类似的办法计算出了同样的结果。我们的宇宙根本就不可能保持静态。爱因斯坦在强大的观测证据面前，不得不乖乖投降，祖师爷也有犯错误的时候。那么剩下的问题就来啦，如果宇宙在膨胀，那么明天的宇宙会比今天的大，昨天的宇宙会比今天的小。往大那头是没有限制的，想多大多大。但是往小那头是有限制的，你最小缩到体积为零嘛。勒梅特就大胆假设，我们的宇宙是从一个非常小的宇宙蛋里面蹦出来的，砰的一声就炸出来了。我们的宇宙是有个开端的，时间也是有开端的。大家明白了吧，为什么这本书叫作《时间简史》。因为时间本身也有开端。这个书名据说是编辑的神来之笔。霍金本人没想到这么绝妙的名字。

而真正使大爆炸模型走向实实在在的一门学说的是伽莫夫。他是弗里德曼的学生。他是俄国人，后来跑去了美国。弗里德曼和勒梅特他们几个只说当年发生了一场剧烈的大爆炸。我们的宇宙就是从那一个点炸出来的。可是这场爆炸是如何发生的呢？能源来自于何处？到现在还有没有留下什么痕迹呢？回答这些问题的正是伽莫夫。伽莫夫证明，我们的宇宙经历过高温高压的时代，正因为那时候整个宇宙都凑在一起，才会有那么高的温度。随着宇宙的膨胀，温度就降下来了。这个余温能不能测到呢？一群物理学家都没能测到。倒是两个搞卫星通信的工程师测到了。这二位是一头雾水拿了诺贝尔奖，他们一开始根本就不知道这个发现有多么重大的意义。这也算是一个很有戏剧性的桥段。

就这样，微波背景辐射被发现了。它恰好和伽莫夫他们的预言是相符合的。于是霍伊尔他们秉持的稳恒态宇宙再也没多少人愿意支持了。尽管霍伊尔是霍金的儿时偶像，霍金还是义无反顾地投入了反对派的阵营。这就是亚里士多德说的吾爱吾师，吾更爱真理。

大约在1963年，两个苏联人提出了新的理论，他们认为宇宙的起源未必需要一个奇点。即便不需要这个奇点，也能造成现在宇宙膨胀的效果。说白了是弗里德曼的宇宙模型自身有问题，宇宙没有那么完美对称。这时候，一个牛人出现了，那就彭罗斯。他提出了一个理论，恒星在烧光了所有的燃料，再也没能力顶住自身巨大引力的时候，它会一直塌缩下去，没什么能阻止引力发威，天体会一直塌缩成一个点，在这个点上，广义相对论失效了，公式没法计算了。也有人质疑过，彭罗斯你怎么确保所有物质一定会精确地塌缩到一个点上呢？要知道恒星很可能长得并不对称，不一定有那么圆啊。万一在塌缩过程里打歪了，大家没有在精确的时间内精确地聚集到同一个点上，那就不一定能形成奇点。彭罗斯的结论就是：放心吧，哪怕恒星是个歪瓜裂枣，最终必定生成奇点。

霍金看到这篇论文的时候，正好是他病情急剧恶化的时候。但是霍金仍然被这篇论文所吸引。因为黑洞塌缩的过程和宇宙大爆炸的很相似，几乎就是影片倒放嘛，学术名词叫“反演”。1970年，霍金和彭罗斯合作写了一篇论文，假如爱因斯坦的相对论是正确的，那么宇宙必定是从一个奇点炸出来的，时间也就会有一个开端。这就叫奇点定理，也算是霍金的主要成就之一。霍金也就凭借这篇论文，跻身于优秀物理学家的行列。

霍金的这个结论也带来一个新的麻烦，一颗恒星，那么巨大的质量，塌缩成一个点，体积为0，尺寸无限小，到底是算宏观还是算微观呢？凡是解释奇点之类的东西，就需要同时考虑广义相对论和量子力学。可是连爱因斯坦都没能把这两者统一起来，那该怎么办呢？霍金他们不得不想办法去协调量子力学和广义相对论。这条路当然不容易走，霍金把这种技术用在了黑洞研究领域，效果良好。 WUn6ZNY6NM90eDwk2OjDLqHVgLJWr2ssYfy0jacWRCt9dDLt3ZTw2MZdIy3bw75n