宇宙的结局是什么？膨胀还是收缩？谁又真正发现了宇宙在膨胀？

shengwuei

不仅仅是简单的哈勃定律推算，真正的历史远比你所听闻的故事更为复杂。

我们最令人惊叹的事实之一是宇宙结构本身——空间，并非保持不变，质量体使空间弯折、扭曲；运动的质量体改变空间的性质；涟漪以光速穿过宇宙。时间与空间并不是宇宙分离的、不变的属性，它们相互联系形成我们所知的单一实体——时空。

图解：膨胀或收缩是包含质量体的宇宙的必然结局，但它的膨胀率及其随着时间的变化则由你所在宇宙的万物定量决定。（美国航天局/ WMAP科学队）

1920年代，我们迎来了宇宙最大的惊喜之一，许多科学家提出了一个前卫的观点：随着时间的流逝，空间将因膨胀或收缩被彻底改变。这可不是一些空中楼阁的理论，这一观点完全可由数据支持。数据显示，离我们越远的星系，似乎在以更快的速度远离我们。与爱因斯坦的广义相对论一致，这意味着我们的宇宙正在膨胀。1929年以来，我们一直向前探索，从未回头。

图解：图片左边显示了物质（图片上部）、辐射（中部）以及宇宙常数（图片下部）在膨胀的宇宙中如何随着时间演化的。右图显示的是膨胀率的变化；在宇宙常数下，或者在宇宙常数存在的情况下（这实际上是它在膨胀期间所做的），宇宙膨胀率并未减小，导致了宇宙的加速膨胀。(E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

几代人以来，我们把这个简单定律称为哈勃定律（以埃德温·哈勃命名）——一个遥远天体视向退离我们的平均速度与距离成正比。即使在今天，将退行速度与表观距离联系起来的常数被称为哈勃常数。

但问题是，埃德温·哈勃并非发现这个规律的历史第一人。尽管1929年哈勃发表了一篇超级论文详尽地阐述了红移-距离关系和联系它们的比例常数，但比利时科学家乔治·勒梅特仅用了哈勃使用数据资料中的一部分提前两年提出相同的理论。因此，天文学家们现在将其称为“哈勃-勒梅特定律”。但究竟是发现了宇宙膨胀，这背后的故事甚至更扑朔迷离。

图解：主导的广义相对论的数学十分复杂，广义相对论本身为它的公式提供了许多可能的解。但只有在限定条件下描述我们的宇宙，将观测结果与理论预测进行比较，我们才可以得到一个物理理论。(T. PYLE/CALTECH/MIT/LIGO LAB)

首先从艾伯特·爱因斯坦开始，他在1915年提出广义相对论。爱因斯坦的引力理论在距离很远质量很小的情况下简化为牛顿定律，并提供了独一无二的、符合观测的预测，相反牛顿万有引力定律的预测在质量大距离小的情况下与观测不符。水星轨道是第一个产生谜团的地方，紧接着是日食过程中恒星光线的弯折也无法解释，爱因斯坦的广义相对论成功解释了这些困惑，而牛顿万有引力论失败了。

但爱因斯坦意识到，它的理论预测静止的宇宙是不稳定的，它一定会膨胀或者收缩。然而他并未接受这一强大的预测，而是否定了它，认为宇宙必须是静止的。他引入宇宙常数去抵消无处不在的引力，用以保持宇宙的恒定，致使他后来将“宇宙常数”称为他在物理学上犯的“最大的错误”。

图解：维斯托·斯里弗首次提出：平均来说，距离我们越远的星系，以更快的速度退离我们。多年来，这个观点向传统理论发起挑战，直到哈勃的观测将碎片整合：宇宙正在膨胀。(VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)

甚至在爱因斯坦之前，维斯托?斯里弗进行了大量观察，这些观察对于空间膨胀的发现是十分有帮助的。20世纪早期，斯里弗利用他望远镜上的新装置——光谱摄制仪，观察到我们之后所知的螺旋星云 。维斯托?斯里弗将来自这些星系的光线分解成他们各自的波长，以识别原子内部发出的光谱线。

我们已经知道原子的工作原理，就可以测量这些谱线向不同波长的系统性位移：如果星系在远离我们，谱线变红；如果星系在向我们靠近，谱线变蓝。这些旋转星云拥有很高的速度无法我们的星系结合，大部分在电磁波谱上显示为红移。其中一些运动速度大于其他旋转星云。维斯托?斯里弗的研究结果显示这些旋转星云就是星系本身，而且大部分在退离我们。但，斯弗里并未拨开整团迷雾。

图解：上图为膨胀宇宙可能的结局。注意不同模型过去部分的差别，只有拥有暗能量的宇宙符合我们的观测，而德西特早在1917年便提出了暗能量主导的解决方案。

(THE COSMIC PERSPECTIVE / JEFFREY O. BENNETT, MEGAN O. DONAHUE, NICHOLAS SCHNEIDER AND MARK VOIT)

第二位做出重要贡献的科学家便是威廉·德西特，他在1917年指出，当你想象的是一个在爱因斯坦常数主导下的广义相对宇宙是，它会膨胀。更值得担忧的是宇宙膨胀特性：膨胀是无止境的，会持续进行下去，膨胀率指数形式增长，这意味着离我们越远的物质将越快远离我们。

尽管没有充足的观测证据可以证明宇宙正在膨胀，德西特指出，如爱因斯坦想象的那样，广义相对论下宇宙会膨胀。（也许更令人惊叹的是，德西特所描述的膨胀模型似乎以暗物质的形式存在于我们今天的宇宙中）。

图解：上图是用今天现代符号的传统写法表示的第一个弗里德曼方程式，方程左边详述了哈勃膨胀率及时空的演化，方程右边包括不同形式的物质与能量，以及空间曲率。这个方程式本质上是弗里德曼1922年从他建立的模型中推导出来的，被称为宇宙学中最重要的方程式。(LATEX / PUBLIC DOMAIN)

1922年物理学家亚历山大·弗里德曼发表了一部惊人的著作：为现实世界解决广义相对论。这个均匀地充满物质、辐射、空间曲率、宇宙常数以及各种可以想象的东西的宇宙，第一次，有了解决方案。

亚历山大·弗里德曼发现，无论如何，宇宙不是在膨胀中就是在收缩中。弗里德曼认为，如果宇宙中充满物质，即使是一个完全空无的宇宙，静止的宇宙都是不稳定的。根据斯里弗的观测以及近期希伯·柯蒂斯在1920年大辩论中提出的观点，膨胀的宇宙说背后既有理论支持，又有观测支持。

图解：上图为1887年拍摄的仙女座大星云的照片，第一次向我们展示了银河系最近大星系的旋臂结构。图片看起来像是全白的是因为它是在无滤光线下拍摄的，而不是使用红、蓝、绿光线然后将颜色叠加。自照片拍摄131年来，图片中可辨认的仙女座大星云的特征并没有发生变化，即使期间有些似乎是随机发生的恒星和瞬变事件，比如新星和超新星事件。(ISAAC ROBERTS）

但是，96年前，一切都发生了改变，埃德温·哈勃做出了也许是天文学史上最重要的观测。他当时正在仙女座大星云中寻找恒星的爆发，他当时以为这些是新星。1887的年照片们展示了仙女座的螺旋结构，为了解我们与仙女座的距离，哈勃望远镜正在观测这些新星。他发现了一颗、两颗，然后是第三颗。

之后，不可思议的事情发生了：他发现了第四颗新星，在发现第一颗新星相同的地方。他意识到一颗新星不可能如此快速地恢复精力，他兴奋地划掉字母“N”（代表新星），用红笔写上大写字母的“VAR”（变星）。有了亨丽埃塔·莱维特先前对变星的研究成果，他能够计算出我们与仙女座的距离，得出的结论是它远超过银河系的大小，仙女座本身就是一个星系，而不是星云，所有的螺旋星云本身就是星系。

这些关键证据碎片合起来揭开了膨胀中的宇宙的面纱。

图解：哈勃在仙女座星系发现的造父变星，命名为M31，为我们打开了宇宙的盒子，给予我们所需的关于银河系外星系的观测证据，引出了膨胀的宇宙。(E. HUBBLE, NASA, ESA, R. GENDLER, Z. LEVAY AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM)

哈勃与他的助手米尔顿·胡马森继续收集更多旋转星系变星的数据，这些数据帮助他们推出与其他天体的距离。上世纪20年代末，他们已经拥有足够星系的数据，对这些工作密切关注的科学家综合适当的证据就可以得出星系距离-红移关系。如果你，我生活在那个时代，并知道这些信息，也可以计算出宇宙正在膨胀。

历史上，1927年，乔治·勒梅特成为提出膨胀宇宙说的第一人。但他的著作以法文发表在一本不知名期刊上，那个时代鲜有人知。1928年，美国科学家霍华德·罗伯逊同样独立地将证据碎片整合，计算出宇宙正在膨胀及其原始膨胀率。但是，在一组更大数据的支持下，哈勃1929年发表了突破性著作，得到了大部分的赞誉。

图解：图片是1929年哈勃对于宇宙膨胀的原始观测，以及随后更详细的但不确定的观测。对比前辈与竞争者，哈勃图表用更优良的数据清晰地显示了红移-距离关系，而现代关于这一块的理论研究更加深远。 (ROBERT P. KIRSHNER (R), EDWIN HUBBLE (L))

近期，为几代人所知的“哈勃定律”被重新命名为“哈勃-勒梅特定律”，但最重要的不是赞扬那些去世几百年的先辈，而是要让每个人了解我们是如何发现主导宇宙的规则，以及这些规则是什么。我很乐意把所有物理定律的名字去掉，仅仅以它们的内容为称谓：红移-距离定律。不仅仅是一个或两个人成果取得发现膨胀宇宙的突破，而是本文提到的或未提及的所有科学家的努力。总的来说，重要的是我们对宇宙如何运作有一个基本认识，这也是科学研究的最终遗产。其他的一切只是人类盲目追求荣誉的本性罢了。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. medium- Charmy- Ethan Siegel

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宏观大，微观小。有多大，有多小，无人知，无人晓。