永恒的宇宙观
早在爱因斯坦之前,也就是100多年以前,当时的人普遍认为:宇宙是永恒的。
具体来说就是,宇宙并不存在一个起点,也没有一个终点,而是永恒不变的、静态的,一直都是一个样式。
这样的理念其实是很常见的,至今还有很多人秉持着这样的看法。在以前,牛顿也是类似的宇宙观,爱因斯坦亦是如此。
广义相对论场方程
到了1905年,爱因斯坦提出了四篇具有开创性的论文,其中两篇后来被合称为狭义相对论。在狭义相对论当中,爱因斯坦提出了全新的时空观,认为时间和空间并非是分立的,而是应该合并起来看,并称为时空。到了1915年,爱因斯坦在狭义相对论的基础上,开始推广广义相对论,并且得到了一个描述宇宙的方程,也被称为广义相对论场方程。看不懂这个方程没关系,你只需要知道一点,那就是这个方程预示着宇宙会膨胀。
所以,是广义相对论的场方程预言了宇宙的膨胀。但是,这和爱因斯坦的观念是不符的,上文我们也提到了,爱因斯坦认为宇宙是永恒不变的,所以就不太可能是有起点和膨胀这种事。于是,爱因斯坦为了让广义相对论场方程符合自己的预期,就在这当中加了一个宇宙学常数。
这个常数有啥用呢?
说白了,如果将它进行合理的取值,就可以让它和膨胀的效应进行抵消,就会得到一个不膨胀的宇宙,也就是爱因斯坦心目当中那种永恒不变的宇宙。
勒梅特预言了宇宙的膨胀
爱因斯坦的广义相对论发表之后,学术圈里面就有很多人相继对其进行研究。其中这个宇宙学常数就让一些学者们摸不着头脑,显然,他们也发现了爱因斯坦这个“宇宙学常数”是他有意为之。其中有个叫做勒梅特的人,就提出了不同的见解。
他认为宇宙不是永恒不变的,而是膨胀的。但是勒梅特并没有直接将宇宙学常数请出广义相对论的场方程,而是发扬了拿来主义,把它作为调节宇宙膨胀速率的工具。
上文中,我们也听到了,宇宙学常数的取到一个特殊值,就可以抵消宇宙的膨胀。同样的,如果宇宙学常数取一些别的值,宇宙要么加速膨胀,要么减速膨胀,也可以静止。勒梅特就提出了一个模型,他认为宇宙是膨胀的,只是膨胀速率还需要进一步的研究,才能确定宇宙学常数的正确取值。
基于这个理论,勒梅特还预言宇宙有个炙热的开端。不过勒梅特的学说并没有引起太多的注意,也没有人进行更深入的研究。不过,勒梅特可以算得上是第一个预言宇宙膨胀的学者。
哈勃发现宇宙膨胀
在勒梅特提出理论的第二年,有个叫做哈勃的人提出了哈勃定律,这定律现在也叫做哈勃-勒梅特定律。
那哈勃-勒梅特定律是啥意思呢?
具体来说是这样的,天文学家哈勃长期观测银河系的系外星系,他就发现,大多数的星系都存在着红移的现象。所谓红移现象,就是我们接收到的这些星系的电磁波都被拉长,这些电磁波都往光谱的红段移动,也就是说,这些星系正在远离我们。
哈勃还发现,距离我们越远,星系远离的速度就越快。然后,经过数据统计,哈勃就描绘出了距离和速度的关系。
哈勃的发现预示着宇宙确实是在膨胀的,这是因为,如果是星系在动,那不会是大多数的星系都在远离我们,而应该是有些远离我们,有些靠近我们,而且没有如此完美的关系式。只有一种可能性,那就宇宙是等比例地进行膨胀,才会观测到这样的现象。
这也非常符合勒梅特的预测。因此,我们说是哈勃发现了宇宙膨胀的证据,也就是星系红移。勒梅特和哈勃两个人可以说否定爱因斯坦的宇宙观,建立起了全新的宇宙观。但是要完成好一个合理的宇宙模型,则需要更多的科学家加入,在他们之后,出现了弗里德曼,伽莫夫等人,他们将这个模型进行了大规模地完善和论证,成为了如今的大爆炸模型。