膨胀中的宇宙

时空不仅仅是弯曲的,它还在运动。引起空间凹陷的恒星、星系和暗物质,并不是固定在某个位置上静止不动的。它们会一刻不停地相互环绕做轨道运动,还可能随着宇宙的演化塌缩或凝聚成更庞大的物体。与此同时,时空也在时刻重新调整形状,以回应其内部物质和能量的运动——拉伸、压缩、振动、反弹,等等。如果我们把一大块质量从一个地方挪到另一个地方,它周围的时空曲率也会随之一起移动以适应这一变化。而当一对黑洞相互环绕时,它们在宇宙中产生的时空波纹就像把石头扔进池塘后水面上的涟漪。我们还可以想得更远——在时空更大的尺度上究竟发生了什么?爱因斯坦方程不仅可以描述像恒星和黑洞这样的物质个体,它同样适用于整个宇宙。我们知道宇宙中包含物质和能量,而根据广义相对论,这些质量和能量的总和将决定宇宙本身的形状—整体曲率。

1917年,爱因斯坦开始研究他的新理论究竟描述了一个什么样的宇宙——他和其他物理学家开始寻找广义相对论方程的解。这些方程虽然不能告诉我们宇宙中具体存在什么物质,或是精确地指出时空会在哪里以哪种程度弯曲,但是,如果我们知道物质的具体分布和运动方式,就能通过广义相对论方程导出时空的形状以及它的运动状态;反之亦然。物质和能量影响时空,然后时空影响物质和能量,物质和能量反过来又影响时空,就这样循环往复……找到方程的解,就意味着得到了一个包容物质和能量的分布与运动,以及时空形状与运动的自洽描述。这样的解当然会有许多个——而问题的关键是要找到那个对应于我们所看到的、正在发生的宇宙的解。

但他们所得到的却是一个看似不合理的结果。爱因斯坦把时间编织进他的理论,而作为回报,理论似乎要充分利用这一新的自由度。方程给出的解意味着宇宙本身并不是静止的。事实上,一旦把物质加入进来,宇宙模型就会发生坍塌。即使是打破了传统时间和空间观念的爱因斯坦,也从来没有想到宇宙会是不恒定的。而根据当时的观测证据——远方的恒星在空间中似乎是固定的——他也有理由认为宇宙是不变的(在1917年确实不存在天文观测能置疑这一假定)。尽管随着人类探索范围的扩大,我们的宇宙模型也在不断扩展,并远远超出了自身银河系的范围,但宇宙本身在膨胀这一想法依然是难以置信的。