這個小實驗有助于闡明宇宙膨脹的兩個關(guān)鍵要素。現(xiàn)在我們把氣球表面想象成時空,而墨點則代表星系。這樣,當(dāng)你吹起氣球時,氣球表面積的增加就像宇宙中時空的擴張。同時,在氣球上也不存在特殊的點——從任何星系(點)出發(fā)的視角都是相同的——無論你身在何處,一切似乎都在遠(yuǎn)離你而去,且距離越遠(yuǎn)后退得越快。

這個氣球?qū)嶒炿m然非常容易理解,但和實際宇宙相比,它還存在一定的局限性。首先,我們的氣球表面實際上是向外膨脹的,它會進(jìn)入更高的三維空間。但宇宙中卻沒有內(nèi)外之分。時空——即氣球的表面——就是所有的一切。

其次,宇宙的整體形狀——至少在我們可以觀察到的范圍內(nèi)——并不像氣球表面那樣彎曲,而是平坦的。因此,它就像一張無限大的橡膠膜(即我們的蟲子世界),在各個方向上都被均勻地拉伸。

第三,也是非常重要的一點,實驗中氣球上的墨水斑點也在膨脹,但宇宙中的星系卻并不膨脹。宇宙中的物體一旦擁有足夠的質(zhì)量,就會從整體膨脹中脫離出來。物質(zhì)間的引力將戰(zhàn)勝膨脹的影響,從而使太陽系和銀河系保持原有的尺寸——行星間的空間不會膨脹(距離不改變),星系中恒星間的空間也不會。

消化這些概念可能需要一段時間,但卻是絕對值得的。這些想法將是我們理解大爆炸理論和當(dāng)前宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。

推動力的來源

那么,所有這一切與揭示宇宙的成分有什么關(guān)系呢?事實上,愛因斯坦方程能告訴我們時空膨脹的原理,并詳細(xì)地指出膨脹將如何受到其內(nèi)部物質(zhì)和能量的影響。因此,如果我們可以追溯宇宙膨脹的歷史,就可以重構(gòu)出任意時刻的宇宙構(gòu)成。

廣義相對論所描述的引力并不是一個明察秋毫的法官。它既不能區(qū)分我們所討論的不同物質(zhì)——質(zhì)子、灰塵、黑洞和暗物質(zhì)都會被統(tǒng)一視為物質(zhì),也不能區(qū)分不同形態(tài)的輻射——微波、伽馬射線和紫外線對引力的響應(yīng)也都是相同的。按照對時空演化影響方式的不同,廣義相對論把宇宙成分歸納為以下三類: