上一期我們說到了愛因斯坦用廣義相對論解釋了宇宙的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是怎樣的，那么組成宇宙的都是什么呢？

1917年，愛因斯坦向普魯士科學(xué)院提交了廣義相對論場方程以及它所描述的整個宇宙的性質(zhì)。

這是一個由空間、時間、質(zhì)量和能量組成的結(jié)構(gòu)。就是這樣一組方程，愛因斯坦用它描述了時空和質(zhì)能之間的關(guān)系，在原則上這組方程包含了宇宙中所有的要素，只是規(guī)模大小的問題。

其實，在可觀測宇宙中存在了各種復(fù)雜的物理、化學(xué)以及生物物質(zhì)，比如含有氣體的星系、恒星、黑洞、類星體、中子星、行星、化學(xué)物質(zhì)、生命等等。

顯然，場方程無法解釋宇宙中的一切。

但是當(dāng)面對一個極為復(fù)雜的系統(tǒng)時，理論物理學(xué)家通常會忽略所有的復(fù)雜性，以試圖讓問題變得更容易處理。這一過程也被稱為簡化假設(shè)。

其實，愛因斯坦就已經(jīng)這么做了。他的場方程太復(fù)雜了，所以不得不假設(shè)宇宙在各個方向上都是均勻的，包含著具有相同組成成分的物體。而且他還假設(shè)，我們從地球這一視角觀察到的宇宙，和宇宙中的任意一個位置所觀察到的宇宙沒有什么不同。就是說我們在這個宇宙中并不特殊。

在這些假設(shè)的基礎(chǔ)上，愛因斯坦推導(dǎo)出了一個非常引人注目的結(jié)論，宇宙是有限而無界的。

在愛因斯坦所想象的宇宙中，時空就像球體的表面一樣卷曲了起來。如果你的壽命足夠長的話，一直向著宇宙一個方向走，最終你還可以回到出發(fā)的地方。除了在恒星或是行星這樣的大型物體的周圍，時空中的任意一點在局部看來都是平坦的，但是，從整個宇宙的大尺度上來看，時空中的每一處都會有輕微的彎曲。

可是，在當(dāng)時主流的科學(xué)觀點和人們所感知的宇宙都是相當(dāng)穩(wěn)定的，除了偶爾會出現(xiàn)一些極端罕見的事件，比如超新星爆發(fā)產(chǎn)生的閃光以及大質(zhì)量黑洞之間并合產(chǎn)生的引力波等等。除了這些，我們頭頂?shù)囊箍湛雌饋硭坪醵际怯篮悴蛔兊模@也是我們把大部分的星星叫做恒星的原因。

這種宇宙展現(xiàn)出的永恒不變也給了愛因斯坦一種錯覺，他認(rèn)為場方程所展現(xiàn)的宇宙也應(yīng)該是靜態(tài)的，但是，結(jié)果并沒有讓他滿意。根據(jù)場方程描述的宇宙必定是一個動態(tài)變化的宇宙，它要么處于膨脹之中，要么處于收縮之中，而一個靜態(tài)的宇宙在現(xiàn)實中是不可能存在的。

在自然界中，引力是最弱的力，但是它是無處不在的，無法阻擋，而且只有一個方向。

這是引力與電力或者是磁力不同的地方，甚至引力沒有相反的作用力，它只會使物體聚集在一起，而不會使物體分開，這就讓愛因斯坦意識到宇宙中所有物體間的引力應(yīng)該會導(dǎo)致宇宙自身的坍縮。

幾個世紀(jì)以來，天文學(xué)的研究和觀測卻從未發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)可以表明宇宙中所有的恒星都在彼此靠近，最終聚集在一起形成災(zāi)難性的坍縮。真實的狀況卻是正好相反的。

愛因斯坦提出的問題并不是一個新問題，也不是專屬于廣義相對論的問題。如果將牛頓的萬有引力理論應(yīng)用于整個宇宙，也會得出宇宙正在坍縮的結(jié)論，牛頓對于這個問題的解決方法，是把上帝搬出來，將宇宙中本將聚攏的恒星給分開。

不過愛因斯坦可能覺得他需要一個比這更具科學(xué)性的解釋，只是他的場方程中并沒有什么能阻止這種坍縮發(fā)生的東西。

在愛因斯坦看來，他的場方程是“不平衡”的，它們描述的宇宙會朝向不同的方向“傾斜”，而這就會導(dǎo)致其預(yù)言的宇宙是動態(tài)的。為了讓這些方程得出靜態(tài)宇宙的結(jié)果，愛因斯坦試圖在方程里引入一個新的項使得場方程更加平衡。這只是一個數(shù)學(xué)意義上的“修正”，除了保持平衡之外并沒有任何實際意義，這個引入項就是宇宙學(xué)常數(shù)。

這些方程式畢竟代表了一套物理的系統(tǒng)，對于其中包含的每一項都應(yīng)該能給出一個有物理意義的解釋。

如果要讓新引入的這個項防止宇宙自身的坍縮，那么它就必須對時空施加一種反引力的力，也就是負(fù)的、類似于引力的斥力。

這種斥力的大小可以隨著距離的增加不斷累積，從而抵消由質(zhì)能引發(fā)的時空彎曲的影響。這樣一來，場方程就形成了完美的平衡，也由此得到了一個現(xiàn)在看來并不穩(wěn)定的靜態(tài)的宇宙。

這終究是一種無法令人滿意的折中方案，因為除了日常觀察表明宇宙似乎是穩(wěn)定、靜止的之外，沒有任何證據(jù)或是理論推導(dǎo)能夠證明宇宙學(xué)常數(shù)的引入是有必要的。

愛因斯坦自己也覺得人為加入的宇宙學(xué)常數(shù)破壞了方程的優(yōu)美簡潔，后來也為此感到后悔，認(rèn)為這是他一生中犯過的最大的錯誤。

改變發(fā)生在1931年.

美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃和他的助手米爾頓·赫馬森發(fā)表了一系列觀測報告，他們得出的結(jié)論是：

我們在宇宙中觀測到的大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離我們。宇宙根本不是靜止的，也不是在收縮，而是正在膨脹。

有關(guān)宇宙膨脹的證據(jù)，實際上是經(jīng)過了天文學(xué)家們多年的努力慢慢累積起來的。這方面的工作始于1912年。

當(dāng)時美國天文學(xué)家維斯托·斯里弗正在位于亞利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄爾天文臺工作。他運用多普勒效應(yīng)研究了星云的速度，發(fā)現(xiàn)來自仙女星云，就是不久之后被重新命名為仙女星系的那個星系發(fā)出的光發(fā)生了藍(lán)移（光波被壓縮），并由此計算出它正在以大約每秒300千米的速度朝向我們銀河系移動。

然而，當(dāng)收集到更多其他星系的數(shù)據(jù)時，他發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系發(fā)出的光都是紅移的，并且計算出它們都在以每秒1100千米的速度遠(yuǎn)離我們。

到了20世紀(jì)20年代，哈勃與赫馬森利用位于加利福尼亞州帕薩迪納附近的威爾遜山上的直徑100英寸望遠(yuǎn)鏡，收集了更多星系的數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系確實在朝遠(yuǎn)離我們的方向運動。

哈勃還從中發(fā)現(xiàn)了一個簡單到近乎不可想象的關(guān)系，距離我們越遠(yuǎn)的星系，運動速度越快，這就是哈勃定律。

在這種膨脹的宇宙中，實際上是時空在膨脹，因此時空中的每一個點都在相互遠(yuǎn)離。這就意味著光譜頻率的紅移實際上并不是由光在空間中傳播時產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)引起的，而是一種宇宙學(xué)紅移，它是由光所處的時空膨脹引起的。

愛因斯坦在他的場方程中引入了宇宙學(xué)常數(shù)作為對于時空本身的一種修正，目的在抵消由質(zhì)能引起的時空彎曲的影響。

如果把它移到等式另一邊，它所代表的就是宇宙總質(zhì)能中的某一個正的貢獻(xiàn)。但它代表的并不是我們所熟悉的屬于恒星和行星的那種質(zhì)能，它仍然取決于時空的結(jié)構(gòu)，并表明“空曠”的時空中存在著一種能量，有些人稱之為真空能。

事實上，宇宙學(xué)常數(shù)正比于真空能量密度，也就是“空曠”的時空中單位體積內(nèi)所含的能量。

如果說宇宙正在膨脹，那么從時間上往回追溯就可以做出這樣的一個推斷，一定會有某一個時刻，宇宙中的所有能量都壓縮在一個無窮小的點上，而這個點的爆發(fā)就是我們現(xiàn)在所說的“宇宙大爆炸”。

雖然目前為止，我們還沒有發(fā)展出有效的科學(xué)理論來描述宇宙演化的“開始”，但是，如果對宇宙膨脹時的大小和溫度做出一些假設(shè)，我們就能很有把握地運用目前公認(rèn)的理論來解釋。

1964年，無線電天文學(xué)家阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在新澤西州貝爾實驗室的霍姆德爾研究中心首次發(fā)現(xiàn)了宇宙歷史上一個重大事件的“余暉”，我們稱之為宇宙微波背景輻射，這就是宇宙射出的第一束光。 

到這里如果你以為，我們現(xiàn)在已經(jīng)擁有了足以在大爆炸中構(gòu)建整個宇宙的全部要素，那可就大錯特錯了。

1934年，瑞士天文學(xué)家弗里茨·茨維基通過觀測星系團(tuán)發(fā)現(xiàn)，距離中心越遠(yuǎn)的天體反而公轉(zhuǎn)速度越快，這就意味著這里的引力一定比我們根據(jù)可見恒星的質(zhì)量推測出的引力要強(qiáng)得多。

茨維基的結(jié)論是，根據(jù)觀測到的公轉(zhuǎn)速度來推測，星系團(tuán)有多達(dá)90%的質(zhì)量都“消失”了，或者說是不可見的。他稱之為“短缺質(zhì)量”。

1975年，美國天文學(xué)家薇拉·魯賓和她的同事肯特·福特對單個星系中的恒星公轉(zhuǎn)速度進(jìn)行了測量，他們觀測到了與弗里茨在星系團(tuán)上觀測到的同樣的效應(yīng)。

在星系邊緣處，恒星的公轉(zhuǎn)速度比基于可見恒星的質(zhì)量推測出的公轉(zhuǎn)速度要高得多。通過實際測量得到的公轉(zhuǎn)速度曲線圖只能這樣解釋，每個星系都位于由某種不可見的物質(zhì)組成的“光暈”中心，這種光暈如今被稱為“暗物質(zhì)”。

在20世紀(jì)90年代初期，還有另外一個遲遲未解的問題。大質(zhì)量天體引起了時空的彎曲，但是在局部的視角下，時空還是平直的。

我們對于宇宙的觀測結(jié)果也是這樣，符合歐氏幾何的理論。除了黑洞、星系以及單個的恒星和行星等因素造成的時空彎曲之外，整個宇宙中的時空大致上都是平直的，只有時空的膨脹與時空中的質(zhì)能達(dá)到完美的平衡時，才有可能出現(xiàn)這樣的平直的時空。

宇宙學(xué)家在宇宙中找到的所有質(zhì)能都不足以維持時空的平直，甚至加上暗物質(zhì)也不夠。

20世紀(jì)90年代初，算上已觀測到的以及據(jù)此推測出的暗物質(zhì)，宇宙總質(zhì)量大約只有所需質(zhì)量的30%。如果這就是宇宙中的全部質(zhì)能，那么我們所處的宇宙應(yīng)該是開放的宇宙，時空也應(yīng)該會有負(fù)向的彎曲。

可供天體物理學(xué)家選擇的解釋并不多。他們這時候意識到，愛因斯坦之前人為加入的那一項，可能真的在和宇宙相關(guān)的方程式中扮演了重要的角色。質(zhì)能密度占30%，和宇宙學(xué)常數(shù)相關(guān)的真空能密度占70%，這可能是唯一一種可以解釋我們宇宙為何是平直的的辦法。于是，真空能有了一個更加廣為人知的名稱——“暗能量”。

可見光、暗物質(zhì)、暗能量等質(zhì)能的密度不同，導(dǎo)致對宇宙不同歷史時期的膨脹速度有不同的預(yù)測。所以，如果我們能確定宇宙實際的膨脹過程，我們就能確定每一種物質(zhì)的密度。

由于光速是有限的，觀察遙遠(yuǎn)的事件就是在回顧宇宙的歷史。因此當(dāng)我們觀察宇宙中非常遙遠(yuǎn)的地方發(fā)生的事件時，我們所看到的就是它們在很多很多年前剛剛發(fā)出光時的樣子。

1998年，兩個獨立的天文學(xué)家小組報告了由某顆超新星照亮的遙遠(yuǎn)星系的紅移測量結(jié)果。這兩個小組分別是美國天文學(xué)家索爾·珀爾馬特領(lǐng)導(dǎo)的超新星宇宙學(xué)項目（SCP），以及澳大利亞和美國雙重國籍的天文學(xué)家布賴恩·施密特和美國天文學(xué)家尼古拉斯·桑澤夫組織的高紅移超新星搜索小組。這兩個小組報告的結(jié)果表明，與當(dāng)時主流的預(yù)測相反，我們宇宙中的時空實際上是在加速膨脹的。

能解釋這種現(xiàn)象的就只有暗能量了，并且由于暗能量起到的作用相當(dāng)于宇宙學(xué)常數(shù)，愛因斯坦提出的這一項自此不再只是人為捏造的結(jié)果了。

現(xiàn)在，學(xué)界終于對于大爆炸宇宙學(xué)的其中一個版本達(dá)成了共識，它有很多不同的名稱，比如“協(xié)調(diào)”模型、“大爆炸宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型”或是Λ–CDM模型，其中Λ代表宇宙學(xué)常數(shù)Λ，CDM則代表冷暗物質(zhì)。

到這里，對宇宙的科學(xué)探索歷程中，我們有了一個基于愛因斯坦廣義相對論的模型，它把現(xiàn)代宇宙學(xué)、天文學(xué)和天體物理學(xué)的觀測結(jié)果都納入其中，這是它的優(yōu)點。

然而，這個模型也為我們揭示出，我們對宇宙在很大程度上仍是無知的。雖然知道我們所生活的宇宙中離不開暗物質(zhì)的存在，我們也可以測量它的引力效應(yīng)，但是我們還是不知道暗物質(zhì)到底是什么。雖然我們觀察到了宇宙在加速膨脹，但是我們還是無法解釋清楚暗能量為何存在，以及它到底是什么。

這個已知的宇宙中有95%以上的東西我們都沒有真正的解釋，我們被這些至暗的質(zhì)能所包圍。

來自遙遠(yuǎn)類星體的影像在前景星系及其附近暗物質(zhì)團(tuán)塊的引力作用下，被“一式四份”

關(guān)于宏觀上的物質(zhì)探索旅程到這里就到達(dá)終點了，下一次咱們開啟微觀物質(zhì)探索的旅程，期待你繼續(xù)加入我們的隊伍，咱們下期見。

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