宇宙為什么會膨脹？科學(xué)家找到原因，熵增才是宇宙的動力

天體物理學(xué)家曾經(jīng)相信宇宙是靜態(tài)的，只包含銀河系，但后來的科學(xué)研究明確表明，事實(shí)并非如此。

　　不到一百年前，天文學(xué)家還認(rèn)為銀河系是宇宙中唯一的星系，望遠(yuǎn)鏡捕捉到的模糊星云則都是銀河系范圍內(nèi)的氣體云。各種結(jié)果表明，宇宙是靜態(tài)的，并沒有隨時間推移而變化。

　　一個例外是美國天文學(xué)家維斯托·斯里弗的發(fā)現(xiàn)。早在1912年，他就注意到仙女座星云正以每秒300公里的速度向太陽移動。為了確定這一點(diǎn)，他利用了多普勒效應(yīng)，即由于波源（或觀測者）的運(yùn)動而引起的波動頻率變化。在聽到救護(hù)車或喇叭移向或遠(yuǎn)離我們的時候，我們都會感受到多普勒效應(yīng)。如果移向我們，聲波會被壓縮，音調(diào)也會更高；如果遠(yuǎn)離我們，聲波會被拉長，音調(diào)也會降低。光波也是如此。斯里弗推測，仙女座星云正在向我們移動，因?yàn)樗墓庖频搅斯庾V的藍(lán)端。

　　斯里弗是對的。我們現(xiàn)在知道，仙女座星系不僅在向我們移動，而且將在大約四五十億年后與銀河系碰撞——形成“銀河仙女座”（Milkdromeda）星系。

　　到1917年，斯里弗測量了其他幾個星云的徑向速度（物體向觀察者方向移動的速度分量），得出結(jié)論稱，它們正在紅移，即遠(yuǎn)離我們。在歐洲，幾乎沒有科學(xué)家聽說過斯里弗的研究結(jié)果。即使在美國，他的觀點(diǎn)也存在爭議。1917年，愛因斯坦用全新的廣義相對論提出了現(xiàn)代的第一個宇宙模型，他假設(shè)宇宙是靜態(tài)的。

　　1920年的大辯論

　　1920年4月20日，在美國國家科學(xué)院的贊助下，威爾遜山天文臺的哈洛·沙普利與匹茲堡阿勒格尼天文臺的希伯·柯蒂斯展開了一場辯論，探討星系的本質(zhì)。星云究竟是不是銀河系外的“島嶼宇宙”？銀河系是不是唯一的星系，被浩瀚的真空所包圍？這次辯論被稱為“沙普利-柯蒂斯之爭”，也被稱為“世紀(jì)天文大辯論”（Great Debate）。這是一個有力的例子，說明了初步數(shù)據(jù)可以用各種不同的方式進(jìn)行解釋，而所有這些方式似乎都是合理的。另一方面，這也說明了為什么更好的數(shù)據(jù)對于健全的科學(xué)研究是至關(guān)重要的。

　　沙普利認(rèn)為，銀河系比大多數(shù)人想象的要大得多，因此有足夠的空間容納所有的星云。柯蒂斯提出了相反的觀點(diǎn)，認(rèn)為星云是銀河系之外的其他星系。盡管沙普利似乎在這場辯論中占了上風(fēng)，但最終的結(jié)果并不是決定性的。

　　哈勃的標(biāo)準(zhǔn)燭光

　　埃德溫·哈勃正是在這時候介入了，他想要徹底結(jié)束這場爭論。

　　哈勃利用威爾遜山天文臺的2.54米胡克望遠(yuǎn)鏡，在其他星云中發(fā)現(xiàn)了天文學(xué)家所說的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，也就是具有已知亮度的光源。想象一下，在一個黑暗的夜晚，你把相同的手電筒放在空曠場地的不同距離上，通過測量它們的相對亮度，就可以利用平方反比定律（光的強(qiáng)度與光源距離的平方成反比）來確定它們與你的距離。

　　哈勃在許多星系中都發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)燭光：一類被稱為“造父變星”的恒星具有非常典型的脈動周期。哈佛大學(xué)天文臺的亨麗愛塔·勒維特在造父變星方面做出了杰出的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了這類恒星的周光關(guān)系，使得后來的天文學(xué)家能夠計(jì)算地球與遙遠(yuǎn)星系間的距離。從鄰近的光源開始，哈勃構(gòu)建了一個“宇宙距離階梯”，用他確定的標(biāo)準(zhǔn)燭光測量更遙遠(yuǎn)的星系距離。

　　1924年初，哈勃寫信給沙普利，表示自己在仙女座星云中發(fā)現(xiàn)了造父變星。沙普利立刻明白，他對宇宙的觀點(diǎn)已經(jīng)過時。到1924年底，哈勃已經(jīng)在仙女座星云和其他22個螺旋星云中發(fā)現(xiàn)了幾十個造父變星，它們之間的距離達(dá)數(shù)百萬光年。大辯論結(jié)束了：宇宙是由“島嶼宇宙”組成的，這些星系相距遙遠(yuǎn)。不過，此時的宇宙仍然是靜態(tài)的。

　　從靜態(tài)宇宙到哈勃定律

　　同時，一些宇宙理論模型提出了與愛因斯坦相反的觀點(diǎn)。宇宙會隨著時間而改變。如果是這樣的話，星系應(yīng)該會在空間的拉伸下彼此原理，就像漂浮在河流中的軟木塞一樣。

　　1917年，荷蘭天文學(xué)家、物理學(xué)家威廉·德西特提出，一個擁有“宇宙學(xué)常數(shù)”的空宇宙將以指數(shù)級速度膨脹。（愛因斯坦在1917年提出了一個宇宙學(xué)常數(shù)，用來抵消引力場的影響，使他的方程能有靜態(tài)宇宙的解。除去此項(xiàng)，宇宙就會快速增長。）

　　1922年，俄羅斯宇宙學(xué)家亞歷山大·弗里德曼提出，即使沒有宇宙學(xué)常數(shù)，宇宙也可以膨脹和收縮，這取決于宇宙中含有多少物質(zhì)。幾年后，比利時神父兼天體物理學(xué)家喬治·勒梅特提出了一個原始原子模型，在這個模型中，宇宙從一個巨大的放射性中子球的衰變中誕生，并繼續(xù)膨脹，產(chǎn)生星系和恒星。

　　這些理論或許很令人興奮，但只有數(shù)據(jù)才能給理論注入生命。經(jīng)過細(xì)致的研究，1929年，哈勃和他的助手米爾頓·赫馬森宣布，他們的觀測結(jié)果支持了宇宙正在膨脹的觀點(diǎn)。哈勃確定了他所需要的標(biāo)準(zhǔn)燭光——在46個星系中那些非常明亮的恒星，甚至比造父變星還要亮。他得出結(jié)論，星系彼此遠(yuǎn)離的速度與它們的距離成正比。這種關(guān)系原先被稱為哈勃定律，現(xiàn)在被改為哈勃-勒梅特定律，是描述宇宙如何膨脹的理論基礎(chǔ)。

　　宇宙膨脹并不像炸彈爆炸

　　人們常常把宇宙的膨脹與炸彈的爆炸相混淆，但二者毫無相似之處。炸彈有一個爆炸中心，彈片會從這個中心點(diǎn)飛離，周圍空間則作為背景保持固定。相比之下，宇宙的膨脹就是空間本身的膨脹，就好比你腳下的地面開始向兩個方向伸展（因?yàn)榈孛媸嵌S的），連同地面上的一切也開始互相遠(yuǎn)離。就像一個擺著許多課桌的教室，當(dāng)?shù)孛嫜由鞎r，課桌也會移開距離。如果每張課桌都是一個星系，那么隨著空間的膨脹，所有星系都會彼此遠(yuǎn)離。沒有哪個比另一個更重要。

　　在膨脹的宇宙中，沒有哪一點(diǎn)比其他任何一點(diǎn)更重要。回溯宇宙的歷史，所有的點(diǎn)最終都匯聚在一起；那是大爆炸的時刻，發(fā)生在大約138億年前，標(biāo)志著宇宙膨脹的開始。（任天）