第4章
膨胀的宇宙

与 史瓦西预测黑洞几乎同时，另一位荷兰天文学家和数学家威廉·德西特和苏联物理学家杰尔姆·弗里德曼，先后根据广义相对论场方程演算出一个不断膨胀中的宇宙模型，它是今天宇宙膨胀和大爆炸理论的起点。

爱因斯坦最初不认同宇宙膨胀的模型，为此还修改了自己的场方程，给场方程加入了起排斥力作用的负压强物质以平衡起吸引力作用的正压强物质对时空的影响，确保宇宙维持静止状态。这个强行加入的排斥力的大小取值是个常数，即大名鼎鼎的宇宙学常数Λ，加入了宇宙常数项Λ的场方程如下：

但随着美国天文学家爱德文·哈勃在观察星系时，发现银河系之外还有数量众多的类似银河系的其他星系，统称（银）河外星系，而之前多数物理学家都认为银河系就是宇宙的全部。哈勃接下来的发现更为惊人，银河系和这些类银河系的河外星系光谱都出现了红移 ^{（注释9）} 现象，这意味着这些星系正在彼此远离，而且相距越远彼此远离的速度越快，哈勃因此得出了宇宙正在膨胀的结论。为此爱因斯坦颇为懊恼，又从场方程中删掉了宇宙常数项Λ，并宣称宇宙常数是自己学术生涯最大的错误。之后，宇宙常数Λ被整个物理学界遗忘，但半个世纪后宇宙常数Λ却随着暴涨理论卷土重来，这是后话。

而在公元1929年哈勃正式公布星系红移数据的前两年，即公元1927年，法国物理学家乔治·勒梅特仅仅依据爱因斯坦加入了宇宙学常数Λ的广义相对论方程，通过限定方程某些因子的取值，比如空间大小有限，曲率为正（或取值0），宇宙常数项Λ为正（排斥力不为0，且比爱因斯坦给出的Λ值略大），竟然就得到了一个与爱因斯坦静态宇宙模型完全相反的加速膨胀的宇宙模型。勒梅特的宇宙模型有一个高温高密度的起点，宇宙诞生于大约数十亿年前一个体积很小、密度很大、温度极高的奇点的一次剧烈爆炸，之后宇宙开始减速膨胀，待排斥力完全抵消吸引力后，宇宙开始加速膨胀到今天的大小，同时宇宙还会继续加速膨胀下去。

事实上勒梅特的加速膨胀的宇宙模型是关于现实宇宙正确的描述，今天主流的宇宙模型几乎就是勒梅特宇宙模型的翻版。受益于观察手段的进步，数据精度提升，今天主流的宇宙模型更为精确，我们的宇宙诞生于约137亿年之前，而不是数十亿年前，并在大约45亿年前开始加速膨胀。遗憾的是当年随着宇宙常数项Λ被爱因斯坦抛弃，勒梅特的宇宙模型也一度被物理学界冷落。直到公元1946年前后，原籍苏联的物理学家，后移居美国的乔治·伽莫夫携手他的学生阿尔菲和赫尔曼正式提出了热爆炸宇宙模型，才让加速膨胀的宇宙再次进入物理学家们的视线。

热爆炸宇宙模型中，宇宙一直在加速膨胀。热爆炸宇宙模型预言了大爆炸的余热，即宇宙微波背景辐射的存在。热爆炸宇宙模型估算宇宙诞生之初的第一个瞬间，即普朗克时间10 -43 秒时的温度高达约1.4168×10 32 开尔文（K）。这个温度又被称为普朗克热点或绝对热点，与之对应的是绝对冰点，又称绝对零度，即0开尔文（K）。普朗克时间、普朗克热点和绝对零度都是根据普朗克常数推导出的常数。

随着宇宙的膨胀，普朗克热点经过百亿年岁月的衰减，到今天频率已经红移到微波范围，温度降到接近绝对零度的5～10K，几乎微不可察，这就是宇宙微波背景辐射。

公元1964年，美国无线电工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现了宇宙微波背景辐射，热爆炸宇宙模型也因此声名鹊起，成为物理学界公认的宇宙起源主流理论。早年家里有由天线接收节目的模拟电视机的朋友，应该都亲眼见过宇宙微波背景辐射，那就是转换频道时经常莫名收到的满屏雪花状噪点，其中少部分干扰就来自宇宙微波背景辐射。

热爆炸宇宙模型很好地解释了质量为零的光子是如何产生的，也解释了四维时空光速的来源，一切皆是那次大爆炸的结果。光子就是爆炸后释放出的能量，以光速在宇宙中穿行。宇宙诞生之后，死亡的恒星爆炸后也会产生大量光子，但宇宙中的光子主要来自大爆炸。组成我们这些有质量物体的基本粒子亚原子等也是那次大爆炸“炸出来”的，因此宇宙万物的速度属性与生俱来。宇宙大爆炸创造出了四维时空，之后诞生于四维时空中的物质和能量被膨胀的空间和流逝的时间“裹挟”着前进。这就是四维时空中物体一直处于运动状态，以合速度光速同时穿越空间和时间的原因。

借助广义相对论的场方程，人类得以首次从科学层面触及宇宙起源和时间起点，人类第一次接近“我们从哪里来”这个问题的答案。

但热爆炸宇宙模型也有致命的缺陷，宇宙在加速膨胀意味着早期宇宙物质密度应该远高于今天，同时宇宙中还应该充斥着反物质、磁单极子等各种奇怪的粒子，但今天的宇宙在大尺度上却是各向同性。通俗地说，我们的宇宙宏观上时空整体平坦，物质分布均匀。晴朗的夜晚，遥望星空，你不会看到一半夜空凸起，一半夜空凹陷，夜空平坦地延伸到地平线；你也不会看到夜空一半漆黑，一半星光万丈，而是繁星点点几乎占据整个夜空。反物质难得一见，而磁单极子更是一个也没有找到。

对宇宙微波背景辐射的观测，也证实了宇宙大尺度上能量分布的各向同性。公元1989年，NASA发射了宇宙背景探测者卫星（COBE），并于公元1990年取得初步测量结果，结果显示大爆炸理论对微波背景辐射所做的预言和实验观测相符。整体而言，COBE测得的宇宙各处微波背景辐射强度（温度）同为2.726K，接近绝对零度（0K），虽然宇宙微波背景辐射在微观尺度上存在细微的温度涨落（十万分之一K的温差），这对宇宙物质和星系诞生至关重要 ^{（注释10）} ，但十万分之一K的温差在宏观尺度上几乎可以忽略不计。

而弥补热爆炸宇宙模型缺陷的是暴涨理论。无论暴涨理论涉及的“标量场”，还是热爆炸宇宙模型牵扯到的反物质和磁单极子，皆属于微观物理学范畴。单凭广义相对论已无法解释宇宙的起源。

现在让我们回到一百多年前，微观物理学诞生的日子。

量子力学要登场了。 iPZBiMzgfOY2BkJ9jjMzHoqChC9G821R4wPLPryRID/eMQG1avPSUsX42BP/eSaH