时间的印记

时间的印记

当爱因斯坦的广义相对论使人信服地描绘了物质的存在与空间易弯性的关系后，他便积极地寻找试验其模型的途径并应用于实际问题。他认为，没有应用，理论只不过是一个数学练习题，而不是物理现实的真实体现。特别是他希望其模型能描绘整个宇宙的行为举止。为此目的，在1917年，他设计了一个广义相对论的宇宙蓝图，一个用数学方法来描述宇宙的特征是如何随时间而演变的，即宇宙演化的图像。

他第一次做出的一个可操作的宇宙模型自认为以失败而告终：将其广义相对论的方程式应用于空间的整体时，他沮丧地看到方程式的解是不稳定的。在模型中未预见到的是，空间的距离不是保持恒定不变，而是有赖于环境随时间伸长或缩短。

爱因斯坦考虑，是不是做了件大错事，为什么宇宙中各点之间的距离会改变的呢？空间不应当自行胀大或缩小，好像是一块潮湿的羊毛毡子那样。看来，没有发生这种景象的物理理由。

为了改正他的“错误”，在方程式中额外增加了一个他称之为宇宙常数的项，用以稳定他的方程式，并保证宇宙中的距离不随时间而改变。增加这个宇宙常数项，对爱因斯坦来说多美术家绘制的“气泡宇宙”，显示宇宙的泡沫状或海绵状结构少有点儿权宜之计，但他想不出更好的办法来保护他所看到的空间自然静止的图像。

在爱因斯坦发展了他修正的模型（该模型被称为爱因斯坦宇宙）之后几年，当得知宇宙确实在膨胀的证据时，他很惊奇。本世纪20年代积累起来的观测数据表明宇宙不是完全保持恒定的，而是实实在在地在飞离。面对新观测事实，爱因斯坦极度后悔在自己的模型中加了一个宇宙常数项，称其为他一生中所犯的最大错误。

宇宙在膨胀的证据，来自天文学家哈勃和斯里弗（VestoMelvinSlipher）分别对星系距离和速度的细致的测量。1924年，哈勃用造父变星方法测出了一定数量的星系与银河系的距离。如前一章所述，此技术包括在一特定星系中选定造父变星，测量该星光爆发之间的间隔，再用此信息测定该星的绝对亮度，从其绝对亮度和视亮度测定出该星的距离，也就得出了该星所在宿主星系的距离。

在哈勃安排测量星系距离的同时，亚利桑那州洛韦尔天文台的斯里弗在分析星系的光谱，他得出了一个引人注目的发现。斯里弗原想通过光谱仪检查一些远方星系的光，观察它们的波长分布图样，以决定星系中存在哪些化学元素。每个化学元素，如氢、氦、锂等等，像人的指纹一样，明白无误地有各自可预见的一定波长的特征谱线。典型光谱的样式，应具有像雨过天晴时天空出现的彩虹那样清晰的色彩。但使斯里弗惊奇的是，所观察到的星系的光谱图样明显地向光谱的长波长（红）端移动了。换句话说，在预见应看到橙光的位置，发现是红光；应是黄光的地方，却出现了橙光。

斯里弗立刻意识到他看到了多普勒效应的例子了。该效应是奥地利物理学家多普勒（ChristianDoppler）在1842年发现的，是关于来自一运动着的光源的光的波长和频率移动的问题。多普勒注意到，从一离开观测者的光源发出的光，其波长倾向于向光谱的红端移动；而向着观测者运动的光源发出的光，其波长向蓝端移动。其次，光源退行得越快，看起来越红；趋近得越快，显得更蓝。这类似于听众所熟悉的现象——警车的笛声——当警车逼近时其音调升高，离去时，音调降低。因为远方星系的光谱向红端移动，斯里弗得出结论这些星系在远离我们而去。

1929年，哈勃把他的星系距离的数据和斯里弗获得的星系的光谱信息结合起来考虑时，他发现，星系离我们越远，来自它的辐射向光谱红端的多普勒移动越大。这就是说，我们向宇宙深处看得越远，那里的星系看上去飞离我们越快。这意味着星系的退行（离开我们）速度与星系的距离成正比，这便是大家公认的哈勃定律。退行速度与距离之间的比例被称为哈勃常数，该常数表示作为距离的函数星系退行得有多快。

哈勃假设银河系在宇宙中没有特殊地位。因此，由于所有的远方星系看上去都从银河系退行，他推测这些星系彼此间也一定是互相退行的，并得出结论：在大尺度上宇宙中的每一个星系离开每一个别的星系而去（但被束缚在星系团及更大的集团里的星系倾向于保持在一起）。

面对此强有力的星系相互分离的证据，天文学家得出的逻辑性的结论当然是宇宙在膨胀。空间在伸展，犹如一个胀大的橡皮气球。此外，假定这一膨胀不是近来才发生的现象——有许多理由使我们相信此现象已存在很长时间了——结论是空间曾经比现在要致密得多。

自然，对于星系退行现象也可以有另外的解释。1929年，瑞士出生的美国天文学家兹威基（FritzZwicky）提出的“光子老化假说”认为，当光子在空间传播时会逐渐老化，其振动频率逐渐减慢。频率的减小显示为波长的红移。但因为对于辐射的老化是完全没有物理根据的，此假说被大多数学者所怀疑。另一个假说是宇宙的稳恒态学说，同样地由于缺乏坚实的观测证据被大多数天文学家所摒弃。