膨脹中的宇宙

時(shí)空不僅僅是彎曲的,它還在運(yùn)動(dòng)。引起空間凹陷的恒星、星系和暗物質(zhì),并不是固定在某個(gè)位置上靜止不動(dòng)的。它們會(huì)一刻不停地相互環(huán)繞做軌道運(yùn)動(dòng),還可能隨著宇宙的演化塌縮或凝聚成更龐大的物體。與此同時(shí),時(shí)空也在時(shí)刻重新調(diào)整形狀,以回應(yīng)其內(nèi)部物質(zhì)和能量的運(yùn)動(dòng)——拉伸、壓縮、振動(dòng)、反彈,等等。如果我們把一大塊質(zhì)量從一個(gè)地方挪到另一個(gè)地方,它周圍的時(shí)空曲率也會(huì)隨之一起移動(dòng)以適應(yīng)這一變化。而當(dāng)一對(duì)黑洞相互環(huán)繞時(shí),它們?cè)谟钪嬷挟a(chǎn)生的時(shí)空波紋就像把石頭扔進(jìn)池塘后水面上的漣漪。我們還可以想得更遠(yuǎn)——在時(shí)空更大的尺度上究竟發(fā)生了什么?愛因斯坦方程不僅可以描述像恒星和黑洞這樣的物質(zhì)個(gè)體,它同樣適用于整個(gè)宇宙。我們知道宇宙中包含物質(zhì)和能量,而根據(jù)廣義相對(duì)論,這些質(zhì)量和能量的總和將決定宇宙本身的形狀—整體曲率。

1917年,愛因斯坦開始研究他的新理論究竟描述了一個(gè)什么樣的宇宙——他和其他物理學(xué)家開始尋找廣義相對(duì)論方程的解。這些方程雖然不能告訴我們宇宙中具體存在什么物質(zhì),或是精確地指出時(shí)空會(huì)在哪里以哪種程度彎曲,但是,如果我們知道物質(zhì)的具體分布和運(yùn)動(dòng)方式,就能通過廣義相對(duì)論方程導(dǎo)出時(shí)空的形狀以及它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);反之亦然。物質(zhì)和能量影響時(shí)空,然后時(shí)空影響物質(zhì)和能量,物質(zhì)和能量反過來又影響時(shí)空,就這樣循環(huán)往復(fù)……找到方程的解,就意味著得到了一個(gè)包容物質(zhì)和能量的分布與運(yùn)動(dòng),以及時(shí)空形狀與運(yùn)動(dòng)的自洽描述。這樣的解當(dāng)然會(huì)有許多個(gè)——而問題的關(guān)鍵是要找到那個(gè)對(duì)應(yīng)于我們所看到的、正在發(fā)生的宇宙的解。

但他們所得到的卻是一個(gè)看似不合理的結(jié)果。愛因斯坦把時(shí)間編織進(jìn)他的理論,而作為回報(bào),理論似乎要充分利用這一新的自由度。方程給出的解意味著宇宙本身并不是靜止的。事實(shí)上,一旦把物質(zhì)加入進(jìn)來,宇宙模型就會(huì)發(fā)生坍塌。即使是打破了傳統(tǒng)時(shí)間和空間觀念的愛因斯坦,也從來沒有想到宇宙會(huì)是不恒定的。而根據(jù)當(dāng)時(shí)的觀測(cè)證據(jù)——遠(yuǎn)方的恒星在空間中似乎是固定的——他也有理由認(rèn)為宇宙是不變的(在1917年確實(shí)不存在天文觀測(cè)能置疑這一假定)。盡管隨著人類探索范圍的擴(kuò)大,我們的宇宙模型也在不斷擴(kuò)展,并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了自身銀河系的范圍,但宇宙本身在膨脹這一想法依然是難以置信的。