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宇宙在膨胀
还记得我之前讲过，在当今宇宙中，有两个最大的谜题，它们被并称为黑暗双侠，这就是暗物质和暗能量。而暗物质之谜我们已经讲过，今天就来给你讲暗能量之谜。
要把暗能量到底是什么给你解释清楚，我必须要从爱因斯坦提出广义相对论的那个时代讲起。爱因斯坦在1915年提出了一个场方程，这个理论把万有引力描述成了时空的弯曲。依照爱因斯坦的理论，地球为什么绕着太阳转呢？那是因为太阳周围的时空是扭曲的，就好比平坦的表面上有个巨大的坑，地球速度不够，飞不出这个大坑。但地球的运动速度也确保了我们不至于掉进坑底。我们在地球上受到的重力也是时空弯曲效应的体现，我们也很难爬出地球的引力阱。踢向天空的足球最后总是会掉回地面。
20世纪初，物理学爆发了两场革命，一个就是刚才说的相对论，另一个就是量子力学。量子力学关注的是微观领域的运动规律。爱因斯坦深知自己的场方程在微观领域是没有用武之地的，因为引力太微弱，大约只有电磁力的10 -37 倍，完全可以忽略不计。在日常生活的尺度上，牛顿力学也就够用了。只有在大尺度上，特别是宇宙级别的大尺度上，他的场方程才能发挥出最大的威力，于是爱因斯坦就把注意力投向了宇宙学领域。
爱因斯坦的场方程看上去还挺简洁的，其实这是因为爱因斯坦发明了一套简便的数学符号，把一大堆方程组写成了3个字母，所以看起来才显得非常简洁。其实摊开了以后是个非常复杂的方程组，而且计算起来极其困难。方程的一边代表能量，另一边代表时空的形状。
爱因斯坦认为，宇宙里的物质是均匀分布的，上下左右各个方向都没什么区别。当时的天文观测的确是支持他的想法的。有了这个前提条件，就可以用场方程来整体计算宇宙了。但令爱因斯坦自己也没想到的是，他计算出了一个动态的宇宙。什么叫作动态的宇宙呢？就是说，从整体上来讲，宇宙不可能保持静止，要么就在整体膨胀，要么就在整体缩小，就好比整条河都在流动，小船即便什么都不做，也无法静止在原地。
宇宙怎么可能是动态的呢？爱因斯坦总觉得不对劲。宇宙整体上应该是保持静止的，一定是自己的方程式少了什么，于是他加入了一个宇宙常数，这个常数加进去以后就相当于添加了一种排斥效应。假如数值合适，就可以让宇宙保持静止，不再变化。当时，像爱因斯坦这样用场方程来计算宇宙的人还不在少数。俄国人弗里德曼也计算出了和爱因斯坦类似的结果。
只是弗里德曼比爱因斯坦的胆子大，他欣然接受了动态宇宙这样一个貌似很不合理的结论，但是爱因斯坦不同意他的理论。爱因斯坦认为，宇宙常数已经解决了这个问题。但没多久，比利时的神父勒梅特发现，即便带上宇宙常数，算出来的宇宙依然是动态的。
到了1929年，哈勃发现了宇宙中遥远的星系都在远离我们，而且距离越远的星系跑得越快，这说明什么呢？这说明宇宙在膨胀。
科学家们总是喜欢用气球来打比方。你在一个气球表面涂上一些点。当气球被吹大的时候，所有的点都在彼此远离。但是气球表面是没有中心点的，你站在每一个点上都会看到其他的点在远离你，而且是远处的跑得快，近处的跑得慢。哈勃在望远镜里也看到了这样的现象。这个现象用宇宙整体膨胀来解释是最合理的。
爱因斯坦得知这个消息后，他当然是非常后悔的，原来宇宙真的在膨胀，宇宙真的是动态的。他觉得自己犯了一个一生中最大的错误，那就是添加了一个其实毫无必要的宇宙常数。
为什么这是一个错误呢？因为他在添加这个常数的时候是没有任何理由的，仅仅是为了满足他对宇宙的一个固有观念。从这个角度来讲，他的确是犯了一个错误。但是在他去世40年之后，天文学界的一个惊人发现却让这个宇宙常数又被后人翻出来赋予了别的含义。不得不承认，大师就是大师，犯错误都能歪打正着。如果爱因斯坦地下有知，不知作何感想。
到底是一个什么样的惊人发现呢？这个惊人的发现来自于两队独立的天文学家对遥远星系的距离和退行速度的测量。我们首先来讲星系的退行速度是怎么测量出来的，当年牛顿用三棱镜把太阳光分解成了彩虹的颜色，后来大家又发现在太阳的光谱里面有很多细细的黑线，这一连串的黑线就像条形码一样，但是没人知道这些线条代表什么含义。
后来大家才明白，原来这些细线是和各种化学元素有关系的。我们通过识别这些条形码，就能知道太阳上有什么元素。比如说氦元素就是首先从太阳上发现的。于是这些黑色的线条就被称为“吸收谱线”，简称“光谱线”。
很快，大家就发现，光谱线会出现整体性偏移，特别是那些遥远的天体，这说明天体发光频率整体发生了改变。光谱线向红色那一端偏移称为红移，往蓝色那一端偏移称为蓝移。哈勃第一个发现，大部分天体普遍出现红移现象，所以也叫宇宙学红移。
宇宙学红移代表什么含义呢？它代表着光的频率整体降低。哈勃当时认为这是由多普勒效应造成的。什么是多普勒效应呢？当一辆汽车按着喇叭向你飞驰而来的时候，音调变高。从你身边飞驰而过的时候，又变成了音调降低。音调的变化幅度与速度直接相关，我们可以根据音调来计算相对运动速度。光也是一种电磁波，也有多普勒效应。哈勃认为红移就代表着天体逃离我们的速度。红移越大，速度越快。
现在我们知道，哈勃对宇宙学红移理解有误。这是宇宙的膨胀导致了光波被拉长，因此频率降低。但是不管怎么说，光谱的红移量就像一个速度表，标志着天体与我们之间空间尺度拉大的速度。
那么天体的距离如何测量呢？这就要靠一根接一根的量天尺来测量。我们很容易用三角测距法计算出某些恒星的距离。300光年之内，都可以用三角法测量。这是我们拥有的第一把宇宙量天尺。
但是，更加遥远的天体就不行了。假如要测量银河的大小，区区300光年是无论如何不够用的。哈勃要测量银河系的邻居仙女座大星系的距离，那就更不够用了。我们需要一把更长的尺子。
哈勃使用的是造父变星。我们来打个比方说明问题。一盏100瓦的大灯泡，放得越远光越弱。我们知道大灯泡的绝对亮度是100瓦，又能测量观察到的视觉亮度，根据这两个数值的差，就能计算出距离。对天上的星星也可以照此办理。但是，我们不知道天上的星星绝对亮度是多大，这是个难题。
好在，哈勃时代这个问题基本解决了。他在仙女座大星系里面发现了造父变星。这种天体的亮度就像手机呼吸灯一样会由亮变暗，再由暗变亮，如此循环往复。周期长短和绝对亮度是有关联的。那么知道变光周期也就可以推算出绝对亮度。这是第二把尺子，当然第二把尺子要用第一把尺子来校准。哈勃就是利用造父变星测算了大大小小星系的距离，从而发现了遥远的星系都在远离我们。
现在的太空望远镜已经可以拍摄到非常遥远的天体。感光器件连续曝光几十天，对准针眼大小的区域拍一张照片。照片上每个光点都是一个星系团。即便是星系团级别，也不过才几个像素大小，我们无论如何都没办法从中分辨出造父变星。第二把量天尺也失效了。
为了能够测量出距离地球几十亿甚至上百亿光年外的星系距离，我们必须要找到新的量天尺，那么有什么办法能把量天尺推进到视野的尽头呢？办法终于被天文学家们找到，这还不得不从一个薅邻居家羊毛的小偷说起。好了，下节为你揭晓答案。