宇宙膨胀之谜：从相对论到勒梅特模型

比利时的神父勒梅特可能是那一代宇宙学研究者中，除了爱因斯坦外最杰出的物理学家。他总能利用最简单的方法处理物理问题，并得到最关键的解答。在不知道弗里德曼宇宙解的状况下，勒梅特在1927年提出一篇关于爱因斯坦理论所容许的最简单宇宙的完整论文。除了普通物质和宇宙常数，勒梅特的模型首次将辐射压力考虑进来；在得出空间膨胀的解后，进一步以多普勒效应（Doppler effect）因光源与观测者相对退离运动所造成的红移，来解释德西特效应，并超越德西特的构想，在满足宇宙学原理的状况下，导出星系后退速度与距离成正比的正确线性关系——那正是两年后才问世的哈勃定律。

哈勃观测遥远星系的红移，并利用各星系里所包含造父变星（Cepheid Variable stars）之亮度变化周期来决定星系的距离，在链接速度与红移的经验公式后，于1929年发表星系后退速度与距离成线性正比的定律。哈勃从未以他的观测数据支持任何特定的理论模型，他将星系的速度当作表象的视速度（apparent velocity），并开放定律的诠释权，自己不做任何物理评断。哈勃在此事所采取的态度，让他错失了发现宇宙膨胀的桂冠。

其实，多普勒效应并不能正确解释空间膨胀。膨胀红移纯粹是因空间扩张展延了光波波长所造成的结果：星系静止于其位置上，并未实际穿越空间运动。星系间距的变化是由空间拖着星系膨胀所导致的图像，乍看之下似乎与多普勒效应中，波源与观测者因相对运动所造成的红移雷同。事实上，从哈勃的红移——距离定律，经红移——速度的关系而推断出退离速度正比于距离的结论，只适用于小范围内的局部宇宙。因此，若以多普勒效应来解释空间整体的膨胀，会立刻陷入两种无法自圆其说的困境。首先，根据哈勃定律，具有红移大于1（对应于所谓的“哈勃距离”）性质的天体，应该以大于光速的速率运动，但这明显违反了狭义相对论对物质运动的规范。其次，我们理应看不见那些实际运动速度超越光速的天体，因此哈勃距离恰好标示出我们视界的大小。于是，地球又成为宇宙的中心——若哥白尼地下有知，必死不瞑目。由于我们对爆炸的概念，符合物质系统以起爆点为中心，向四面八方喷溅的印象，因此将“big bang”翻译成“大爆炸”并不恰当。(www.xing528.com)

在1931年，勒梅特尝试结合当时正方兴未艾的量子理论概念，更进一步推测宇宙在有限的过去某个时刻，起源于一个太初原子（primeval atom），这项主张成为今日宇宙大爆炸的前身。因此，勒梅特的模型描述一个有限年龄的宇宙，从一个高温致密的起点创生，初期由于引力作用的关系，导致空间减速膨胀，但随着宇宙常数逐渐取得主导地位，空间开始转为加速膨胀。勒梅特宇宙具有正曲率，但因其所选择的宇宙常数值略大于爱因斯坦的宇宙常数，所以该宇宙的空间会持续膨胀下去，没有终点。

目前看来，勒梅特的宇宙最符合今日我们宇宙空间的膨胀历史：我们的宇宙从137亿年前开始膨胀，并在大约45亿年前过渡至加速膨胀的阶段。唯一与现在观测数据抵触的宇宙性质，大概只有空间几何的曲率了。