究竟是谁发现了宇宙膨胀？

故事 07-09 来源：天文在线

图1 空间膨胀或者坍缩是物质宇宙必然的结果。但是膨胀速率和它如何随着时间演化是由宇宙中物质数量和分布所决定的。NASA / WMAP SCIENCE TEAM

空间自身始终在变化着是我们所存在世界中最令人震惊的事实之一。质量可以扭曲空间；运动的质量影响着空间的特性；空间所受到的影响在宇宙中像涟漪一样光速传播。空间和时间不是相互独立的，它们被宇宙中的不变量（狭义相对论中的四维不变量，时空间隔）所联系在一起成为一个整体，称作时空。

上世纪20年代，宇宙给了人们一个非常大的惊喜。当时许多科学家提出了一个非常激进的看法：空间自身可能在膨胀或者收缩。这并不是一个不切实际的理论，恰恰相反，观测数据有力地支持了这个理论：一个星系离我们越远，它退行的速度越快。针对这个现象，爱因斯坦的广义相对论可以给出一个自洽的解释：宇宙在膨胀。自从1929年以来，我们还没有发现能够推翻这个结论的观测事实。

图2 这幅图展示了物质（上方）、辐射（中间）和宇宙学常数项（下方）在宇宙膨胀过程中的演化情况。图片右侧展示了它们所对应的膨胀速率演化情况，在宇宙学常数项所对应的膨胀速率是一个常数项，不像辐射和物质项所对应的膨胀速率会随着宇宙的膨胀迅速衰减，这会导致宇宙的快速膨胀。 E. Siegel / Beyond the Galaxy

一个遥远物体的退行速度和离观测者的距离成正比例关系。自从埃德温·哈勃（Edwin Hubble）提出这个简单的定律后，好几代人都将其称作哈勃定律（Hubble’s Law）。直到今天，我们都把将退行速度和距离关联起来的常数，称作哈勃常数。

不过这存在着一些问题，因为哈勃他并不是第一个在历史上指出该定律的人。哈勃在1929年正式发表了一篇非常出色的文章，详细地研究了红移-距离关系，并指出了联系两者的常数。但是在哈勃发表文章的两年前，比利时的科学家乔治·勒梅特基于哈勃的一部分数据就完成了和哈勃相同的工作。为了纪念勒梅特的工作，天文学家现在称这个定律为哈勃-勒梅特定律。不过关于究竟是谁发现了宇宙在膨胀的故事才刚刚开始。

图3 广义相对论所运用的数学工具着实是非常复杂的，而且有许多可能的解满足广义相对论方程。但是值得注意的是，只有当某个解的形式，能够明确描述宇宙的性质并且它的预言能够和我们观测和测量结果相比较时，那么才可以说广义相对论真正成为了一个物理理论。T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab

从爱因斯坦1915年提出广义相对论开始谈起。广义相对论没有完全推翻牛顿运动定律，而是牛顿运动更普适的情形：广义相对论在大尺度、小质量的情况下（质量密度较低的情况下），可以简化为牛顿运动定律。广义相对论成功解决了牛顿定律无法解释的实验和观测数据。从水星轨道进动到日食期间星光的弯曲传播，牛顿定律失效的地方，爱因斯坦获得了成功。

后来爱因斯坦意识到广义相对论所预言的静态宇宙是不稳定的，它要么膨胀要么塌缩。这一次爱因斯坦没有相信他的理论，他觉得宇宙应该是稳定的。为了解决这个问题，爱因斯坦在广义相对论中引入了宇宙常数，来试图维持宇宙的稳定性。这一举措，爱因斯坦后来认为是他整个物理生涯中所犯的“最愚蠢的错误”。

图4 一个星系离我们越远，那么它的退行速率一般也越快，实际上是斯里弗第一个发现的。不过这和当时对宇宙的认识存在着矛盾，直到哈勃的观测将所有的困惑都放到一个新的框架下全部解决为止，大家才广泛接受宇宙在膨胀。Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403

甚至在爱因斯坦之前，维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）的观测结果已经帮助发现了宇宙的膨胀。一九零几年早些时候，斯里弗当时正在使用他望远镜上的新设备—摄谱仪，来观测当时被称作“涡旋星云”的目标。通过截取星系光谱特定的部分，斯里弗可以认证光谱中某些原子的特征谱线来推断星系的组成成分。

我们已经了解了原子的跃迁机制，就可以测量原子线系的移动来推断其寄主的运动情况：如果它们整体向红颜色偏移，那么这些原子是在远离我们；如果它们整体向蓝颜色偏移，那么它们在向着我们靠近。斯里弗分析了他的观测结果，发现这些涡旋状的目标，速度大到无法被我们的银河系束缚（言下之意它们应该不是银河系的部分，当时大家还没有意识到有非常多和银河系非常类似的结构广泛存在于宇宙之中。最具有代表性的就是1920年，夏普利和柯蒂斯之间的大辩论，M31到底是不是银河系的一部分），并且大多数都在远离我们，甚至有一部分目标远离的速度比其他目标快得多。斯里弗的结果暗示了这些星云状的结构是独立的星系，并且大多数星系都在远离我们。但是遗憾的是，斯里弗没有将这些奇怪的结果放在一起考虑，没有发现星系的存在，也没有指出宇宙在膨胀。

图5 膨胀宇宙可能的命运。不同模型对于过去的描述是不一样的，这会影响到我们对宇宙年龄的判断。这几个模型中只有一个模型和我们当今充斥着暗能量的宇宙相匹配，这就是德西特1917年提出的暗能量主导的广义相对论解。 The Cosmic Perspective / Jeffrey O. Bennett, Megan O. Donahue, Nicholas Schneider and Mark Voit

另一位对发现宇宙膨胀做出了巨大贡献的人是威廉·德西特（Willem de Sitter）。1917年，德西特发现，如果广义相对论的宇宙模型由爱因斯坦宇宙学常数项主导（广义相对论描述宇宙的方程主要有三部分：冷物质，热物质和真空能。前两者是我们一般所熟知的例如尘埃、辐射等，后者实际上就是宇宙学常数项，现在认为这一项可能是暗能量的一种形式），宇宙就会膨胀。这个结果直指宇宙膨胀是空间在膨胀的残酷事实：空间会持续不断永远地膨胀下去，更要命的是，离我们越远的物体，随着空间膨胀，远离我们的速度越快。

尽管当时没有明确的观测证据表明宇宙在膨胀，德西特证明了广义相对论所支持的宇宙模型，能够预言膨胀的宇宙。（也许说的听起来更有意义一些，德西特所描述的膨胀宇宙，在我们现在的宇宙中以暗能量的形式体现。）

图6 弗里德曼第一方程用现代物理学符号的表示，左边一项表示的是哈勃常数，中间一项描述的是空间自身的度规，方程右侧的三项包含了物质和能量的不同形式以及空间曲率。这个1922年弗里德曼推导出的方程是现今宇宙学最重要的方程。

1922年，亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）发表了一篇轰动学界的文章：Solving General Relativity for the case of a Realistic Universe（大致意思是，以真实宇宙的情况/条件求解广义相对论）。广义相对论第一次有了一个正式充满着“各种材料”的解：这些材料可以是物质、辐射、空间曲率、宇宙学常数或者任何你能想象到合理的东西。

弗里德曼发现，所有情况下，宇宙一定是膨胀或者收缩的：哪怕假想宇宙中充斥着各种“材料”，或者是完全空的宇宙，都无法成为静态宇宙，静态宇宙是不稳定的。结合斯里弗的观测和1920年夏普利和柯蒂斯的大辩论，理论和观测数据都支持宇宙在膨胀。

图7 1887年对仙女座大星云的观测结果，仙女座大星云也是第一个被发现具有涡旋臂状结构的近邻大星系。这张图片之所以是黑白的是因为当时纯粹的对所有颜色的光进行了成像，用黑白代替强度，没有单独进行滤光，把每个单独颜色的照片叠加到一起后就会是彩色的了。这些所有可辨认的特征结构自从被观测到的130几年来，从未发生过改变，因为仙女座大星系已经是一个沉寂星系了，时不时随机出现的变星和短暂事件例如新星、超新星等都不足以撼动星系结构。Isaac Roberts

1923年，哈勃开始进行也许是整个天文学历史上最重要的观测，他尝试着在仙女座大星云寻找可能是新星的突然爆发的星星。1887年对仙女座大星云的观测已经揭示了仙女座大星云中的涡旋结构，哈勃试着找出其中的新星来测量仙女座离我们的距离。一颗、两颗、三颗，直到第四颗新星，令人兴奋的事情出现了。

第四颗星和第一颗星的位置相同！如果它是一颗新星，是不会有这么快速的光度变化的，这是一颗造父变星，哈勃立马划去了给它作的新星标记“N”，用红笔以大写字母在旁边写上了“VAR！”基于勒维特（Henrietta Leavitt）先前关于变星的工作，哈勃可以计算仙女座大星云离我们的距离，他发现仙女座大星云比银河系内的所有东西都要远的多，它是一个独立的星系。接着，哈勃把他的结论推广到了所有涡旋状的天体。

哈勃的发现是将所有困惑解决的关键证据，他正式证明了宇宙在膨胀。

图8 哈勃发现的一颗位于M31仙女座星系的造父变星。这颗造父变星是河外星系的观测证据，也将人类对于宇宙的认识带到了一个新的高度：宇宙在膨胀。E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay and the Hubble Heritage Team

哈勃和他的助手米尔顿·赫马森（Milton Humason）收集了更多涡旋星系中的变星数据来测量这些涡旋星系的距离。20世纪20年代末，除了自己的观测数据外，哈勃还得到了来自进行相似工作科学家的数据，很快，哈勃一行便有了足够多的星系数据。综合了来自各方的观测结果，哈勃发现了星系距离和红移之间的关系，这一证据足够指出宇宙自身在膨胀。

但在历史上，勒梅特是先完成这项工作的人，不过他的文章是在发表在法国一个不太出名的杂志上，当时几乎没有人看到他的工作。美国科学家霍华德·罗伯逊（Howard Robertson）也在1928年独立地发表了他的结论，指出宇宙在膨胀，并且粗略计算了膨胀速率。不过哈勃拥有更多的数据，1929年，哈勃发布了他突破性的工作，并且获得了绝大多数的荣誉。

图9 1929年哈勃观测的原始数据与后续工作更精确的观测数据，尽管后续仍一定的不确定性。哈勃的数据清楚的显示了，他的红移-距离关系与前人和竞争者相比，具有无法超越的优势：哈勃给出的关系与现代更远更精确的观测结果近乎完全匹配。Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)

最近，我们叫了几十年的“哈勃定律”正式被重新命名为“哈勃-勒梅特定律”。这件事的重点并不是为了要特意表彰勒梅特的工作，而是希望民众能够了解到科学家们是怎样发现支配宇宙运行的规律和规律自身。我个人是非常喜欢略去所有物理定律中的人名的，这可以简单明了的知道这些规律在说什么，比如红移-距离关系。在发现宇宙在膨胀的历史过程中，不是一两个人的工作就带来了突破性的发现，本文中所列出的科学家和许多还没有提到的科学家都在探索的过程中做出了卓越的基础性的贡献。最后再啰嗦几句，探索自然的过程中，最重要的是人们关于宇宙是如何运作的基础知识，而这也正是科学研究的最终产物。其它的一切都只能证明人类徒劳攫取荣耀的弱点。