爱因斯坦庄子与爱因斯坦的渊源：浅谈宇宙论( 二 ) 科学家|银河系|物理学家

在三月介绍而1917年爱因斯坦的宇宙学论文担心的是一个相关的问题：用宇宙论的眼光来看，宇宙若是均匀的，星体的均匀分布，应该会在大尺度，造成时间与空间的均匀弯曲。但爱因斯坦确信，如果把所有可言说的都包括进来，宇宙一定是处于静止状态的，这与弯曲的时间有点不一致。奇怪的是，在广义相对论中，爱因斯坦也真的找不到他所相信、这样的静态解。
就在爱因斯坦提出宇宙论原则不久之后，科学界开始建造一系列巨大的望远镜，而且天文学家把接收到的星光，依照光的波长分解后测量强度。这样的光谱分析实验，其实就等同于交通警察的测速仪。因为所测得的波长会随发光物体的速度而有变化，我们很容易就能利用光谱的结果，决定远处星体的速度。

远方的星系竟然都是离我们远去

天文学家斯里弗在1910年做了一系列测量，发现远方的星系竟然都是离我们远去，有人这样形容：「星系都像逃离瘟疫那样，躲避我们」。远离的速度非常快，其中一个星系达到每秒六万公里，这是远大于银河系本身大约每秒六百公里的移动速度。大约十年之后，哈伯开始利用当时全世界最大的望远镜，来研究这个问题。这是2.5公尺直径，洛杉矶附近威尔逊山天文台的虎克望远镜。
他的队友更精确地测量星系速度，而他自己则对十八个较远的星系作了距离的测定，将两个数据一比对，哈伯发现星系远离我们的速度，竟然与距离成正比。这是第二个观测，后来就称为哈伯定律，简言之，离我们越远的星系，离开得越快。这个现象有一个自然的解释：地球是宇宙的中心。但我们早知道这是痴人说梦，而且宇宙是均匀的，所以不会有所谓的中心存在。唯一的另一个可能性，整个宇宙是按照原来星系的分布，整体一起变大。这个惊人的结果，就称为宇宙膨胀。
请注意我们所观察到的，不是星系本身的运动。刚刚已经说过，星系本身的轨道运动很慢，可以视为是静止的。有些科普作者会用膨胀的舞台、或膨胀的空间格子来形容这个现象。我个人最喜欢的比喻是葡萄干面包，在烘培过程中，面包会发酵膨胀，等比例变大。那么静止于面包中的葡萄干也会彼此远离，而且距离越远的两颗葡萄干，彼此远离的速度越快。当然，这样的比喻也不能太当真，听众一定得记得，这里所讨论的宇宙除了星系与星际物质之外，是空无一物的，而不像面包。

宇宙天生就是动态的

于是，把所有可以言说的都包括进来的这个宇宙，竟然不是如爱因斯坦所期待的是纹风不动，而天生就是动态。爱因斯坦一开始非常不能接受这样的结果，但有些物理学家并不意外，因为早几年，苏联的弗利曼，以及比利时的勒梅特神父，就分别在差点被埋没的论文中指出：动态宇宙其实是爱因斯坦自己的宇宙论原则，以及自己的广义相对论，合起来的自然结果，只是这两个原则的创立者不愿承认而已。
弗利曼的论文没受到注意，一般认为是因为爱因斯坦的批评，而勒梅特神父将论文发表在比利时当地的期刊上，其他国家的科学家根本很难看到。科学的发现之路，常有这样的崎岖迂回之处。但既然在观察上，动态宇宙现在被哈伯所确立了，科学家们就很快重新发现并接受了这两位先驱者的贡献，可惜弗利曼在论文发表后不久，就因病过世了。
让我们更精确地，再描述一次宇宙膨胀：根据物理定律，动态宇宙的演化，使得静止的星系，彼此的距离会随时间而增加，而且增加的快慢与距离成正比。更厉害的是：演化的方式，可以由宇宙中物质与能量的密度精确计算出来。但并不是所有的尺寸大小都会一起变大，在宇宙膨胀的同时，银河本身的大小是由组成的物质质量决定，质量并不会随宇宙膨胀而有变化，因此银河大小也是维持不变的。

把时间越往回推，宇宙一定越来越小

如果宇宙持续在膨胀之中，那么把时间越往回推，宇宙一定越来越小。物理学家惊觉，一直往前回推，有一个时候，宇宙中所有的物质与能量，会聚集在一个很小、很小的区域。有一本教科书作了估计，在这个时候，整个宇宙的大小就是纸面上一个直径约一公分的小圆。如此，密度一定极高，温度肯定很吓人！在高温时，所有物质会频繁地撞击、彼此激烈作用，无论是分子、原子或原子核都会被拆散。所以早期宇宙中的物质，就像一锅混合得非常均匀的汤！这样的均匀混合，科学上称为达到热平衡。这样的状态，只要知道温度，就可以完全掌握。