哈勃定律是指膨胀的宇宙

伤我心太深

　　哈勃定律是指的什么？到1929年，哈勃和他的助手已经对几十个星系测定了距离。同时，通过观察这些星系的光谱，哈勃惊奇地发现，距离地球越远的星系，正在以越大的速度离我们而去。(星系的距离和速度可以用一个简单的线性关系拟合。这就是著名的哈勃定律。)

　　为什么会有这样的现象，难道银河系是一个被其他所有星系厌恶的地方，导致所有的星系都在逃离银河系?事实上，一个听起来似乎荒诞的理论，可以更加自然地解释这一观测现象——那就是宇宙空间在膨胀。在牛顿力学绝对坐标体系下，空间的膨胀是无从解释的。但进入二十世纪，爱因斯坦提出了广义相对论。根据广义相对论，空间和物质是相互联系的，空间决定物质如何运动，而物质决定空间如何扭曲。

　　科学家喜欢用烤面包来比喻宇宙空间的膨胀。我们可以把一块正在烘烤中慢慢膨胀的葡萄干面包看做宇宙空间，把面包中的葡萄干看做星系。葡萄干本身结构很致密，不会随着面包的膨胀而变形。但是由于面包整体长大了，葡萄干相互之间的距离也会慢慢变大。任意两个葡萄干，它们离对方而去的速度正比于它们之间的距离。


　　烘焙膨胀的葡萄干面包。

　　事实上，早在1917年，爱因斯坦自己就将相对论理论试用于研究宇宙的动力学行为。他发现，如果假设宇宙中的物质在大尺度上均匀分布(后来被称作宇宙学原理，但那时候观测还远不支持这个猜测，但是爱因斯坦不在乎)，那么根据广义相对论，宇宙空间不能够静态稳定，除非人们在方程中引入一个常数因子。这个常数因子后来被人们称为宇宙学常数。但是在几年后，俄国科学家亚历山大·弗里德曼(Friedmann)利用相对论进一步研究了宇宙的动力学行为，他发现很小的扰动就可以使得宇宙偏离稳定状态，对于一个物质均匀各向同性分布的宇宙，膨胀是一个更自然的状态。

　　有趣的是弗里德曼本职并不是物理学家，而是数学家。他的主要工作是将流体和气体动力学应用到气象学。但是当广义相对论传入苏联后，他很快将之应用于宇宙学领域。弗里德曼关于宇宙膨胀的结论在1927年被Lemaitre再次独立推导得到。开始爱因斯坦本人并不相信弗里德曼的理论，因为膨胀的宇宙对于他来说太奇怪了。但很快，哈勃定律的发现从观测上为膨胀宇宙提供了证据。

　　膨胀宇宙模型开始流行起来，今天，科学家将膨胀的宇宙称为弗里德曼宇宙。膨胀的宇宙意味着什么?聪明的读者也许已经想到了。它意味着今天可观测宇宙的年龄是有限的，如果将时间倒流，在诞生的初期，宇宙处于高温、高密度的状态，在那样极端的状态下，不但星系、恒星，连原子、质子甚至更基本的粒子都无法存在。

　　今天宇宙中跨越几十个量级，各种丰富的结构，都是随着宇宙膨胀、温度降低才演化出来的。这样的演化图景被弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)称作「大爆炸宇宙学(Thebig bang theory)」。