到了1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃迎來(lái)一個(gè)改變世界觀(guān)的時(shí)刻。當(dāng)時(shí)哈勃對(duì)銀河系以外那些廣闊空間中的星系，做了一個(gè)系統(tǒng)性的觀(guān)測(cè)。他發(fā)現(xiàn)，星系發(fā)出的光的光譜，有一個(gè)往紅端的移動(dòng)。這就是所謂“紅移”，也就是頻率都變小了一些。這種現(xiàn)象我們?cè)谏钪幸材苡龅健２▌?dòng)都是這樣的，當(dāng)這個(gè)物體向你跑過(guò)來(lái)的時(shí)候，它的頻率會(huì)增加；當(dāng)這個(gè)物體離你而去的時(shí)候，他的頻率會(huì)減少。比如一個(gè)火車(chē)?guó)Q笛，如果是火車(chē)面向你開(kāi)過(guò)來(lái)，你會(huì)覺(jué)得鳴笛聲音更尖銳一點(diǎn)；如果是火車(chē)是離你而去，你會(huì)覺(jué)得鳴笛聲音更低沉。
那星系光譜的紅移就只能說(shuō)明一個(gè)問(wèn)題：所有這些遠(yuǎn)方的星系，都在離我們而去。而且通過(guò)精確測(cè)量各個(gè)星系光譜紅移的程度，哈勃還發(fā)現(xiàn)，這些星系離我們而去的速度，和它們到我們的距離成正比。
這就好比說(shuō)你站在一個(gè)大廣場(chǎng)上，你發(fā)現(xiàn)周?chē)腥硕荚陔x你而去，而且距離你越遠(yuǎn)的人，跑得越快！
哈勃發(fā)現(xiàn)的，就是宇宙正在膨脹。
你可能馬上就有一個(gè)問(wèn)題：不同方向的星系都離我們而去，那地球豈不是成了宇宙的中心嗎？不是。你可以想象空間是彎曲的。拿二維空間類(lèi)比，這就好像我們都站在一個(gè)氣球的表面上，氣球不斷膨脹的過(guò)程中，對(duì)氣球上任何一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其他的點(diǎn)都在離他而去，而且距離越遠(yuǎn)跑得越快。
既然宇宙正在膨脹，那我們馬上就知道，以前的宇宙肯定沒(méi)有這么大。那么逆推回去 —— 宇宙就一定有一個(gè)開(kāi)始。這就是大爆炸理論的起源。咱們可以想象愛(ài)因斯坦得知了哈勃的觀(guān)測(cè)之后是個(gè)什么心情！他本來(lái)已經(jīng)算出來(lái)宇宙應(yīng)該膨脹了！是為了讓宇宙不膨脹，才自作聰明地加了宇宙常數(shù)那一項(xiàng)，結(jié)果錯(cuò)過(guò)了對(duì)宇宙膨脹的理論預(yù)測(cè)。愛(ài)因斯坦發(fā)了一條朋友圈，說(shuō)這是我一生最大的錯(cuò)誤。
好了，現(xiàn)在既然知道宇宙是膨脹的，愛(ài)因斯坦就放心地把宇宙常數(shù) Λ 那一項(xiàng)去掉，引力場(chǎng)方程變得更簡(jiǎn)單了 ——
方程預(yù)言了宇宙膨脹，宇宙也的確在膨脹，一切都和諧了。
誰(shuí)能想到，愛(ài)因斯坦死后43年，天文學(xué)家的世界觀(guān)又改變了一次。
3.空間的膨脹
我先來(lái)解釋一下，“宇宙膨脹”到底是什么意思。宇宙大爆炸和尋常一顆炸彈的爆炸可不一樣，大爆炸帶來(lái)的膨脹，是空間本身的膨脹。廣義相對(duì)論認(rèn)為“空間”并不是一片虛空，而是一個(gè)可以傳播引力、可以變形可以彎曲的實(shí)實(shí)在在的東西。
在宇宙起源之前，時(shí)空根本不存在。大爆炸以后空間膨脹了，日月星辰才有了在其中玩耍的場(chǎng)所。我們可以把空間想象成一張實(shí)實(shí)在在的網(wǎng) —— 所有東西都是放在這張網(wǎng)上，而網(wǎng)本身可以變大。我們知道，物理定律要求是任何東西的移動(dòng)速度不能超過(guò)光速 —— 但是請(qǐng)注意，這說(shuō)的是物體在空間中的移動(dòng)，可不是空間本身的移動(dòng)。
事實(shí)上，宇宙膨脹的速度可以超過(guò)光速。在大爆炸剛開(kāi)始的時(shí)候，早期的宇宙的膨脹速度到處都超過(guò)光速。而在現(xiàn)在，那些距離我們特別特別遙遠(yuǎn)的星系，他們的離我們而去速度也是超光速的。
這就意味著，存在很多星系，因?yàn)樗鼈兙嚯x我們太遠(yuǎn)，膨脹的速度超過(guò)光速，我們不可能看到它們。它們那里不管發(fā)生什么，我們都無(wú)法知道。女朋友坐飛機(jī)走了，飛機(jī)上總還能打個(gè)衛(wèi)星電話(huà) —— 可是如果女朋友跑的比光速還快，你就再也沒(méi)辦法跟她取得聯(lián)絡(luò)了。
難道說(shuō)，我們將孤獨(dú)地跟可見(jiàn)的這些星系生活在這里。
但是也不一定。別忘了在引力作用下，星系之間還有個(gè)互相吸引的作用，這也是一個(gè)把空間往回拉的力量。那么在引力作用下，我們?cè)O(shè)想，宇宙膨脹的速度應(yīng)該是越來(lái)越慢的 —— 就好像你往天上扔一個(gè)球，球上升的速度肯定是越來(lái)越慢，而且可能還會(huì)回來(lái)。
對(duì)吧？
4.黑暗的能量
愛(ài)因斯坦死后43年，也就是1998年的時(shí)候，有兩組天文學(xué)家，想測(cè)量一下現(xiàn)在宇宙的膨脹速度已經(jīng)減慢到了什么程度。
他們有一些特別好的觀(guān)測(cè)目標(biāo)，叫 “Ia 型超新星”。這種超新星也是宇宙送給天文學(xué)家的禮物。最初這是一種雙星系統(tǒng)，其中一顆星是白矮星。白矮星不斷吸收臨近這顆星的質(zhì)量，等到自己的質(zhì)量增長(zhǎng)到相當(dāng)于我們的太陽(yáng)質(zhì)量的1.44倍的時(shí)候，它就會(huì)突然爆發(fā)，變成超新星。
這種超新星的引爆質(zhì)量永遠(yuǎn)一樣，它的亮度也永遠(yuǎn)一樣。這樣天文學(xué)家一看 Ia 型超新星到達(dá)地球的亮度，就能精確知道它們距離地球有多遠(yuǎn)。
與此同時(shí)，根據(jù)光譜的分析，看看紅移情況，天文學(xué)家還可以用另外一個(gè)方法計(jì)算超新星的距離，這個(gè)計(jì)算中就包括了理論模型中宇宙膨脹的歷史。對(duì)比一下兩個(gè)距離的差距，就知道現(xiàn)在膨脹速度減慢了多少。
結(jié)果天文學(xué)家驚掉了下巴。
用超新星亮度算的實(shí)際距離，比用宇宙膨脹歷史算的距離長(zhǎng)了15%。這就意味著，宇宙膨脹不但沒(méi)有減速，而且還加速了！
這個(gè)發(fā)現(xiàn)實(shí)在毀三觀(guān)，但是歷經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)無(wú)疑，最后三個(gè)科學(xué)家因此獲得2011年諾貝爾獎(jiǎng)。
物理學(xué)家就只好再把宇宙常數(shù)放回到愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程中去，只不過(guò)這回 Λ 的數(shù)值得改，變成讓宇宙加速膨脹。
那問(wèn)題就又回來(lái)了， Λ 到底有什么物理意義呢？物理學(xué)家現(xiàn)在解釋不了，只好沿襲“暗物質(zhì)”的命名傳統(tǒng)，稱(chēng)之為“暗能量”。
現(xiàn)在更進(jìn)一步的估算，我們這個(gè)宇宙現(xiàn)在的全部能量之中，尋常的物質(zhì)只占大約4%，暗物質(zhì)占26%，暗能量占70%。
暗能量提供了一種真空中的斥力，但是它到底是什么樣的底層物理機(jī)制，我們完全不知道。有人猜測(cè)這是不是量子力學(xué)的真空能，結(jié)果一計(jì)算發(fā)現(xiàn)結(jié)果差了10^120倍，太過(guò)荒誕了。如同尋找暗物質(zhì)一樣，物理學(xué)家正在想方設(shè)法尋找暗能量。
| 由此得到
過(guò)去三十年中，物理學(xué)最驚人的一個(gè)發(fā)現(xiàn)就是宇宙正在加速膨脹。把宇宙常數(shù)放回到愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程中，可以讓宇宙加速膨脹，但是這個(gè)宇宙常數(shù)到底有什么物理意義，物理學(xué)家一無(wú)所知。暗能量和暗物質(zhì)到底是什么，是兩個(gè)謎。
| 禪定時(shí)刻
暗能量是真空中的能量。宇宙越膨脹，真空越大，暗能量就越大。現(xiàn)在物理學(xué)家知道，在50億年以前，暗能量的比例達(dá)到一定數(shù)值，宇宙就已經(jīng)開(kāi)始加速膨脹了。
而隨著空間越來(lái)越大，暗能量越來(lái)越多，宇宙膨脹的加速度也會(huì)越來(lái)越大。這就意味著遠(yuǎn)方的星系是以越來(lái)越快的速度離我們而去，不可能再回頭。
物理學(xué)家計(jì)算，再過(guò)一萬(wàn)億年，除了銀河系以外，我們的天空中將會(huì)再也看不到其他的星星。
如果我們這個(gè)文明不能把現(xiàn)在關(guān)于宇宙的知識(shí)流傳到那個(gè)時(shí)候，如果那時(shí)候還有智慧生命的話(huà)，那時(shí)的天文學(xué)家將會(huì)認(rèn)為宇宙里就只有一個(gè)銀河系。他們的宇宙觀(guān)會(huì)跟我們很不一樣，他們將無(wú)從知道宇宙里其實(shí)有那么多星系！
因?yàn)槿鄙訇P(guān)鍵信息，他們永遠(yuǎn)都想不到宇宙曾經(jīng)有過(guò)這樣的歷史。
但是還有更可怕的。泰森說(shuō)他做了一個(gè)噩夢(mèng)。如果說(shuō)一萬(wàn)億年以后的人缺少關(guān)鍵信息，那么我們這一代人，是不是也缺少了某些關(guān)鍵信息，以至于有關(guān)這個(gè)宇宙，有些東西是我們永遠(yuǎn)都不能理解的呢？
