宇宙，真的在“逃跑”嗎？

1929年，一個(gè)叫哈勃的人看了一眼星空，然后發(fā)現(xiàn)了一件改變?nèi)祟愓J(rèn)知的事

1929年的一個(gè)夜晚，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃站在威爾遜山天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡前，做了一件看似簡(jiǎn)單、卻石破天驚的事——他把星系的紅移量和距離，畫(huà)在了一張圖上。

當(dāng)那條線清晰地呈現(xiàn)在他面前時(shí)，他意識(shí)到，自己剛剛改寫(xiě)了人類對(duì)宇宙的認(rèn)知。

大家好，我是物理系老郭。

今天我們要聊的，就是這個(gè)改變了人類宇宙觀的故事。

01 先從一種聲音說(shuō)起

你一定留意過(guò)這樣一個(gè)再普通不過(guò)的生活細(xì)節(jié)：一輛救護(hù)車(chē)朝你駛來(lái)時(shí)，警笛聲又尖又急；而當(dāng)它從你身邊呼嘯而過(guò)、逐漸遠(yuǎn)去時(shí)，那聲音會(huì)突然變得低沉、拖長(zhǎng)，像是被什么東西拽住了一樣。

這個(gè)現(xiàn)象，物理學(xué)上叫“多普勒效應(yīng)”。

聲音是一種波。當(dāng)聲源朝你運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲波被壓縮，頻率變高，所以音調(diào)聽(tīng)起來(lái)就尖；當(dāng)聲源遠(yuǎn)離時(shí)，聲波被拉長(zhǎng)，頻率變低，音調(diào)自然就變得低沉。

這是每個(gè)人都親身體驗(yàn)過(guò)的物理課。

但你可能不知道的是——光，也有同樣的“脾氣”。

02 光，也會(huì)“變調(diào)”

光也是一種波。

當(dāng)一個(gè)光源朝我們飛過(guò)來(lái)時(shí)，光波被壓縮，波長(zhǎng)變短，光譜線會(huì)向藍(lán)色端移動(dòng)；當(dāng)光源離我們而去時(shí)，光波被拉長(zhǎng)，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，光譜線會(huì)向紅色端移動(dòng)。

這就是光的“藍(lán)移”和“紅移”——本質(zhì)上，就是光的“多普勒效應(yīng)”。

但這里有一個(gè)至關(guān)重要的區(qū)別，你得記清楚。

救護(hù)車(chē)跑遠(yuǎn)導(dǎo)致音調(diào)變低，是車(chē)在靜止的空氣中運(yùn)動(dòng)，把聲波“拉長(zhǎng)”了。

而星系的紅移，卻不是星系在空間里“跑”造成的。

是空間本身在膨脹，把光波一點(diǎn)一點(diǎn)拉長(zhǎng)了。

這個(gè)區(qū)別，是整個(gè)故事的底牌。不理解它，你就沒(méi)法真正讀懂哈勃的發(fā)現(xiàn)。

03 哈勃到底做了什么？

時(shí)間回到二十世紀(jì)初。

那時(shí)的物理學(xué)界，正沉浸在一種“大局已定”的自信中。牛頓力學(xué)解釋了地面上的運(yùn)動(dòng)，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論重新定義了引力。人類仿佛已經(jīng)摸到了宇宙的脈搏。

但有一個(gè)根本問(wèn)題，當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)并不統(tǒng)一：我們所在的這個(gè)宇宙，整體上到底是靜止的，還是在運(yùn)動(dòng)？

包括愛(ài)因斯坦在內(nèi)，許多科學(xué)家都傾向于一個(gè)“靜態(tài)宇宙”模型。這很符合直覺(jué)——夜空看起來(lái)永恒不變，星辰的位置似乎從未移動(dòng)過(guò)。

1917年，愛(ài)因斯坦在應(yīng)用廣義相對(duì)論方程描述宇宙時(shí)，發(fā)現(xiàn)方程自然預(yù)言宇宙要么膨脹、要么收縮，就是無(wú)法靜止。為了得到一個(gè)符合當(dāng)時(shí)“常識(shí)”的靜態(tài)解，他在方程中引入了一個(gè)“宇宙常數(shù)”。你可以把它想象成一種均勻彌漫在空間中的“排斥力”，用來(lái)平衡物質(zhì)間的引力吸引，讓宇宙保持靜態(tài)。

然而，真相往往比我們的想象更大膽。

1929年，哈勃在威爾遜山天文臺(tái)完成了他的里程碑式工作。他的突破不在于第一個(gè)“看到”星系紅移——此前已有天文學(xué)家觀測(cè)到這一現(xiàn)象——而在于他將星系的紅移量與它們的距離進(jìn)行了精確的定量關(guān)聯(lián)。

他繪制的那張數(shù)據(jù)圖，揭示了一個(gè)簡(jiǎn)潔而震撼的規(guī)律：星系離我們?cè)竭h(yuǎn)，它遠(yuǎn)離我們的速度就越快。兩者成正比，是一條筆直的線。

這就是著名的“哈勃定律”。它意味著，星系的退行不是雜亂無(wú)章的，而是系統(tǒng)性的、有規(guī)律的。

04 給你打個(gè)最形象的比方

為了幫你理解這個(gè)發(fā)現(xiàn)，老郭給你打一個(gè)最經(jīng)典的比方。

請(qǐng)你想象一個(gè)還沒(méi)吹起來(lái)的氣球，上面用筆畫(huà)滿了密密麻麻的小斑點(diǎn)。現(xiàn)在，你開(kāi)始往氣球里吹氣，它慢慢鼓起來(lái)，越變?cè)酱蟆?/p>

關(guān)鍵在于這一點(diǎn)：請(qǐng)你把自己想象成氣球上的任意一個(gè)斑點(diǎn)，然后環(huán)顧四周。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，其他所有的斑點(diǎn)，都在離你遠(yuǎn)去。而且，那些原本離你越遠(yuǎn)的斑點(diǎn)，此刻“跑開(kāi)”的速度也顯得越快。

為什么會(huì)這樣？

因?yàn)樽尠唿c(diǎn)“跑開(kāi)”的，并不是斑點(diǎn)自己在氣球皮上移動(dòng)——它們明明是畫(huà)上去的，位置根本沒(méi)動(dòng)——而是氣球皮本身在均勻地膨脹，把斑點(diǎn)之間的距離拉大了。

我們的宇宙，就是那個(gè)氣球。星系，就是那些斑點(diǎn)。

它們不是在空間里“飛”，而是承載它們的空間本身，在膨脹。

哈勃定律揭示的，正是我們這個(gè)三維宇宙空間本身在均勻膨脹的圖景。

我們銀河系，只是這個(gè)膨脹空間中的一個(gè)普通星系。沒(méi)有誰(shuí)是膨脹的中心。從任何一個(gè)星系看出去，景象都一樣：其他星系都在遠(yuǎn)離自己，而且越遠(yuǎn)的退行速度越快。

05 那束光，在路上發(fā)生了什么？

現(xiàn)在你可以理解一個(gè)更深層的問(wèn)題了。

哈勃觀測(cè)到的星系紅移，和我們剛才講的氣球比喻有什么關(guān)系？

答案是：這種紅移，主要不是由于星系在空間里運(yùn)動(dòng)（像救護(hù)車(chē)在空氣中運(yùn)動(dòng)那樣），而是宇宙空間本身在膨脹，把光波拉長(zhǎng)了。物理學(xué)家稱它為“宇宙學(xué)紅移”。

讓我給你拆開(kāi)來(lái)講——

一百多億年前，一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系發(fā)出了光。當(dāng)時(shí)它的波長(zhǎng)是固定的。

但這束光，要在宇宙里跑上百億年，才能到達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡。

在這段漫長(zhǎng)到難以想象的旅程中，空間一直在膨脹。

空間就像一張被持續(xù)拉伸的橡皮筋。光在上面跑，波長(zhǎng)被一點(diǎn)一點(diǎn)拉長(zhǎng)。等它終于到達(dá)我們這里的時(shí)候，它的波長(zhǎng)已經(jīng)比出發(fā)時(shí)變長(zhǎng)了。

這就是“宇宙學(xué)紅移”。

注意一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：光速始終不變——這是相對(duì)論的基本原理。變的是波長(zhǎng)，不是速度。

06 消息傳開(kāi)，愛(ài)因斯坦坐不住了

哈勃的發(fā)現(xiàn)傳到歐洲時(shí)，整個(gè)物理學(xué)界為之震動(dòng)。

最受沖擊的，可能就是愛(ài)因斯坦本人。

他后來(lái)公開(kāi)承認(rèn)，當(dāng)年為了迎合“靜態(tài)宇宙”的成見(jiàn)而引入宇宙常數(shù)，是他“一生中最大的錯(cuò)誤”——這是他晚年接受采訪時(shí)說(shuō)的原話，帶有個(gè)人感慨的色彩。

靜態(tài)、永恒的宇宙觀，至此被觀測(cè)證據(jù)徹底推翻。我們面對(duì)的是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、演化的宇宙。

但這個(gè)故事還有一個(gè)更戲劇性的轉(zhuǎn)折。

1998年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹。這意味著，宇宙中存在著一種具有“排斥”引力效應(yīng)的神秘成分，它在“推”著空間加速擴(kuò)張。

科學(xué)家把它叫做暗能量。

而暗能量的理論描述，恰好與愛(ài)因斯坦當(dāng)年放棄的那個(gè)“宇宙常數(shù)”高度吻合。換句話說(shuō)，那個(gè)被愛(ài)因斯坦當(dāng)作“最大錯(cuò)誤”而拋棄的東西，又以另一種身份卷土重來(lái)，成了今天宇宙學(xué)的主角之一。

科學(xué)就是這樣。沒(méi)有永恒的“對(duì)錯(cuò)”，只有不斷逼近真相的修正。

07 這個(gè)發(fā)現(xiàn)，到底意味著什么？

既然宇宙在膨脹，那如果我們把時(shí)間倒推回去——

從前，宇宙一定更小、更密、更熱。

一直推到138億年前，所有的物質(zhì)和能量都擠在一個(gè)溫度極高、密度極大的初始狀態(tài)中。然后，它開(kāi)始膨脹、冷卻，慢慢形成了星系、恒星、行星，還有你和我。

這就是“熱大爆炸宇宙模型”的核心圖像。

哈勃沒(méi)有直接“證明”大爆炸——大爆炸理論是后來(lái)由伽莫夫等人發(fā)展完善的——但他提供了最關(guān)鍵的那塊拼圖：宇宙在膨脹，所以它一定有一個(gè)熾熱致密的過(guò)去。

08 一個(gè)更“大”的問(wèn)題

知道了宇宙在膨脹，下一個(gè)問(wèn)題自然就來(lái)了：

它會(huì)一直膨脹下去嗎？

這取決于宇宙里有多少東西。具體來(lái)說(shuō)，取決于宇宙的平均物質(zhì)能量密度。

• 如果密度超過(guò)某個(gè)臨界值，引力最終會(huì)獲勝，讓膨脹停下來(lái)，甚至可能轉(zhuǎn)向收縮。
• 如果密度低于臨界值，膨脹就永遠(yuǎn)停不下來(lái)。

那實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果是什么？

宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹。

這意味著，宇宙的平均能量密度，恰好處在一個(gè)讓暗能量占據(jù)主導(dǎo)地位的值上。引力不再是最終的贏家，暗能量才是。

09 現(xiàn)在的宇宙，由什么構(gòu)成？

普朗克衛(wèi)星

根據(jù)普朗克衛(wèi)星的最新觀測(cè)數(shù)據(jù)——普朗克衛(wèi)星就是一臺(tái)在太空里工作的超級(jí)望遠(yuǎn)鏡，專門(mén)測(cè)量宇宙微波背景輻射——我們的宇宙由三部分組成：

普通物質(zhì)——就是你我、星星、空氣、地球上的萬(wàn)物——只占5%

暗物質(zhì)——看不見(jiàn)，摸不著，但有引力效應(yīng)——占27%

暗能量——讓宇宙加速膨脹的神秘力量——占68%

你沒(méi)看錯(cuò)。

我們能看到的、摸到的、理解的一切，只占整個(gè)宇宙的5%。

剩下95%，我們幾乎一無(wú)所知。

這正是當(dāng)代宇宙學(xué)最大的謎題，也是最激動(dòng)人心的前沿。

天文學(xué)家現(xiàn)在在干什么？用韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，用更精密的觀測(cè)設(shè)備，干三件事：精確測(cè)量膨脹速度、搜尋暗物質(zhì)的蹤跡、搞明白暗能量到底是什么。

說(shuō)白了，我們?cè)跍y(cè)量宇宙的“家底”，想知道它最后會(huì)怎么收?qǐng)觥?/p>

10 老郭最后說(shuō)幾句

哈勃的望遠(yuǎn)鏡，沒(méi)有看到神。

它看到的是——空間本身在生長(zhǎng)。

那片我們仰望了千萬(wàn)年的星空，從來(lái)就不是永恒不變的背景布。它是一部還在書(shū)寫(xiě)的史詩(shī)，而物理學(xué)家，不過(guò)是這部史詩(shī)的“速記員”——用方程和觀測(cè)，一點(diǎn)一點(diǎn)地記錄下138億年前那個(gè)熾熱的起點(diǎn)，直到此刻你讀到這篇文章的每一個(gè)瞬間。

我們每個(gè)人，都不只是這部史詩(shī)的觀眾。

我們是這部138億年的故事里，最新鮮、最生動(dòng)的那行字。

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下篇預(yù)告：

那個(gè)被愛(ài)因斯坦拋棄的“宇宙常數(shù)”，

怎么搖身一變，成了主宰宇宙命運(yùn)的“暗能量”。

我是物理系老郭。

咱們下回見(jiàn)。