膨胀宇宙：时间回溯与星系相遇

膨胀宇宙

星系距离我们虽然十分遥远，但是，分析从它们那里来到我们这里的光线，我们还是可以了解到它们的一些十分有趣的情况。

从任何一个热物体——不管是一个巨大的星系团，还是一堆篝火——发出的可见光，都是由各种长短的能为我们眼睛的视网膜感知的波长组成的，它们从最短的一直到最长的，应有尽有。有一些仪器能将这些波长分类，按照从最短到最长的次序展宽为一条色带。这样的色带叫做光谱。

这些不同的波长作用于我们眼睛，让我们觉察出颜色。波长最短的可见光在我们看起来显紫色。随着波长变长，我们依次看见的是蓝光、绿光、黄光、橙光和红光。这就是我们熟悉的虹。的确，我们雨后在天空中看到的彩虹就是一种天然光谱。

如果把太阳或其他恒星的光分解展宽成光谱，我们会发现其中缺少某些波长的光。它们是在穿过太阳（或其他恒星）的上层大气途中被相对说来比较冷的气体吸收掉了。这些缺少的波长在光谱的彩色条带中表现为一些暗线。

一颗恒星大气中的每一种原子都只吸收能显示其特征的不会与他种原子相混淆的特征波长的光。对于每一种原子，我们都可以在实验室里精确地测定出那些特征波长在光谱上的位置。于是，根据任何一颗恒星的光谱上的那些暗线，我们就可以获得关于那颗恒星的化学组成的资料。

早在1842年，奥地利物理学家多普勒（Christian Johann Doppler，1803—1853）就已证明，如果一个物体发出一种固定波长的声音，那么，当这个物体运动着离开我们远去时，声音的波长将变长；当这个物体运动着朝我们接近时，声音的波长将变短。1848年，法国物理学家菲佐（Armand H.L.Fizeau，1819—1896）再把这个原理应用于光。

根据这种多普勒—菲佐效应，一颗恒星发出的光波的波长，当它正在运动着离开我们时，全都会比假定它固定不动时发出的波长要长一些。恒星光谱中的那些暗线当然也是如此。因此，当恒星远离我们而去时，那些暗线同它们的正常位置相比，将会朝着光谱的红端移动一段距离（所谓“红移”）。当一颗恒星向着我们运动时，它的光谱，包括其中的暗线在内，将朝着它的紫端移动一段距离。

通过测定某颗恒星光谱上某些特定暗线的位置，不仅可以判断那颗恒星是在背离我们退行而去还是在朝我们运动，而且还可以知道它运动的速度。这是因为，一颗恒星不论是在作退行还是在朝我们运动，它运动得越快，那些暗线移动的距离就越大。第一次把暗线的这种移动用于这种目的是在1868年。那一年，英国天文学家哈金斯（William Huggins，1824—1910）探测到了天狼星的红移，并判断出它正在以中等速度离我们退行而去。后来，人们探测到越来越多的恒星的光谱暗线的移动。结果表明，它们有的在朝我们运动，有的正在退行。这个结果毫不足怪，因为，如果银河系作为一个整体既没有朝我们运动，也没有背离我们运动的话，结果本该如此。

1912年，美国天文学家斯莱弗（Vesto Melvin Slipher，1875—1969）开始了他的一项计划，系统地去测定各个星系的暗线移动（那时，甚至还没有肯定一些小的云状光斑就是星系）。

人们也许会以为，星系恐怕会同恒星一样，其中也是有的表现为退行，有的表现为是在靠近我们。对于我们本星系团里的星系，情况的确如此。例如，斯莱弗研究的第一个星系仙女座星系，它就正在朝我们运动，速度大约是每秒50千米。

然而，我们本星系团外面的那些星系，它们的运动却表现出令人费解的一致性。斯莱弗以及他以后的一些人发现，不论哪种场合，来自这些星系的光都只表现为红移。它们无一例外地全都在离开我们作退行，而且速度非常大。要知道，银河系内各恒星之间相对运动的速度才只有每秒几十千米，而即使是本星系团外面的那些比较近的星系，它们的退行速度也有每秒几百千米。此外，一个星系越暗弱（从而可以认为它离我们较远），它退行得也越快。

到了1929年，哈勃（5年前他辨认出仙女座星系里的恒星，从而确定出它是一个星系）又成功地证明，退行速度与距离成正比。如果星系甲同我们的距离是星系乙的3倍，那么，星系甲离开我们退行的速度也是星系乙退行速度的3倍。只要接受他的观点，那么单靠测量一个星系的红移大小就可以确定它与我们的距离。

但是，为什么所有的星系都会离开我们作退行呢？

为了解释这种普遍存在的退行现象，而又不要认为我们的本星系团有什么与众不同的地方，我们只需要承认宇宙正在膨胀，也就是承认，所有相邻星系团之间的距离正在不断地增加。如果是这样的话，那么不单是从我们这里的天文台去观测，实际上从任何一个星系团里的一个观测站四面望去，所有其他星系团看起来都应该正在作退行，而且退行速度随相隔距离直线式地增大。

宇宙又为什么正在膨胀呢？

如果我们设想时间正在倒流（也就是说，设想我们拍摄有一部膨胀宇宙的影片，然后把这部片子倒放），那么，各星系团看起来就应该是彼此正在靠拢，最后甚至会聚结成一团。

比利时天文学家勒梅特（Georges Lemaître，1894—1966）在1927年提出，把时间倒推到很久很久以前某一点，宇宙的所有物质全都挤压在他称之为“宇宙蛋”的唯一的天体内。那个天体发生爆炸，那次爆炸的碎片就形成了后来的星系。

俄国出生的美国物理学家伽莫夫（George Gamow，1904—1968）把那次原始爆炸称为“大爆炸”，以后大家都使用了这一术语。天文学家认为，大爆炸发生于大约150亿年以前。宇宙蛋的熵原来是非常低的，从大爆炸发生的瞬间起，熵就一直增加，宇宙渐渐地放松它的发条。这就是上一章介绍的情形。(www.xing528.com)

那么，真的发生过大爆炸吗？

我们观测宇宙深入的距离越远，我们也就是在时间上往回追溯得越远。光传播需要时间。因此，如果我们看见了距离我们10亿光年的什么东西，那么光从它那里来到我们这里已花了10亿年的时间，我们看到的天体实际上是它在10亿年前的样子。如果我们看见了距离我们150亿光年的什么东西，那么我们看到的就是它在150亿年以前发生大爆炸时的样子。

1965年，贝尔电话实验室的彭齐亚斯（A.A.Penzias）和威尔逊（R.W. Wilson）两人成功地揭示出，存在着一种均匀来自天空任何部分的射电波辉光。这种射电波背景很像是穿过150亿光年空间来到我们这里的大爆炸的辐射。这一发现一直被认为是支持大爆炸的强有力的证据。

作为那次巨大无比的原始爆炸的结果，宇宙会永远膨胀下去吗？隔一会我就要讨论是否有这种可能，不过现在让我们姑且认定宇宙将永远膨胀下去。那么，这将对我们有什么影响呢？宇宙的无限膨胀酝酿着一场灾变吗？

至少从直觉上看，不会出现灾变。我们用肉眼在天空中看到的任何东西，包括两个麦哲伦云和仙女座星系在内，无一例外都是我们这个本星系团的一部分。本星系团的一切部分都由引力维系在一起，并未参与那种普遍的膨胀。

这就是说，尽管宇宙或许会一直膨胀下去，可是我们用望远镜看到的天空景象却不会因此而发生变化。可能由于别的原因会出现其他什么变化，但是我们的本星系团，连同里面不止5000亿颗恒星，将不受影响。

随着宇宙的膨胀，天文学家将越来越难以看清本星系团以外的那些星系，最后甚至会完全失去它们。所有其他的星系团都将退行到那样远的距离，以致它们离开我们运动的速度会大到再也不能以任何方式影响到我们。那时我们的宇宙将只剩下我们这个本星系团，大小只及今天宇宙大小的五百亿分之一。

我们宇宙大小的这种巨大缩减是否会引起一场灾变呢？或许不会直接引起，但是，那将影响到我们应付热寂的能力。

一个比较小的宇宙，其中形成大块低熵区域的机会也会比较小，它绝不可能靠随机过程而形成开始我们宇宙的那种宇宙蛋，因为质量不够。可以为这种情况打个比喻：如果要找到金矿，我们只在我们的花园里去挖掘，当然比我们在地球表面各处去挖掘找到的机会要小得多。

因此，宇宙的无限制膨胀会极大地减小人类遭遇热寂而存活下来的可能性，假定他们能维持那样久直至热寂的来临的话。事实上，人们倾向于认为根本不可能：无限的膨胀再加上热寂，即使对这其中的事件作最乐观的解释，也是人类无论如何也经受不起的。

的确，事情还不仅此而已。各星系团的退行还有可能改变宇宙的性质，以致引起一场比无法应付的热寂还要紧迫的灾变。会这样吗？

有一些物理学家猜测，万有引力是宇宙中所有质量协同作用的产物，而不是单个物体的产物。宇宙中的总质量越是集中在越是小的体积内，其中任何一个物体所产生的引力场就越强。反之，总质量越是分散在越大的体积内，任何一个物体所产生的引力场就越弱。

因为宇宙在膨胀，所以宇宙中的质量正在分散在一个越来越大的体积内。按照上述思路，宇宙中的各个物体独自产生的引力场的强度就应该缓慢地逐渐下降。这样一种可能性，是英国物理学家狄拉克（Paul A.M.Dirac，1902—1984）在1937年首先提出来的。

引力场强度的这种减弱或许极其缓慢，它的效应也许是我们只有好几百万年历史的人类根本觉察不到的，但是，这种效应会逐渐积累起来。例如太阳，它靠它的强大的引力场而维系成一个整体。随着引力的减弱，太阳会慢慢膨胀，变得越来越冷；所有其他恒星也是如此。太阳对地球的拉力也会减弱，从而地球的轨道会缓慢地向外延伸，变得越来越大。地球本身，由于自身引力的减弱，也会缓慢地膨胀；如此等等。于是，我们面对的会是一种不妙的前景：地球的温度会由于太阳变得越来越冷和越来越远而下降，直至把我们冻僵。所以说，在热寂到来之前，就会有这样和那样的效应让我们彻底完蛋。

不过，时至今日，科学家们还没有发现有任何明显迹象表明引力正在随时间减弱，或者在地球的过去历史中曾经明显地比今天要强一些。

因此，对这个问题作这样或那样的肯定回答恐怕还为时过早，有待找到进一步的证据。但是我们还是倾向于认为，关于引力减弱的观点多半站不住脚。如果不是这样，地球在将来会变得越来越冷，那么根据同样理由，它在过去就应当比今天更热。可是毫无这方面的迹象。而且，如果我们倒推到过去，引力场也应该越来越强；直至上溯到宇宙蛋的时刻，引力场应当强大无比，以致在我看来，宇宙蛋不可能克服如此强大的引力场的拉力而发生爆炸，把碎片向四外抛出。⁽¹⁾

除非能找到相反的证据，否则我们总是倾向于认为，宇宙的无限制膨胀不会影响我们所在的宇宙这一部分的性质。因此，这种膨胀不大可能在人类多半逃不脱热寂的厄运之前就引起一场灾变。