膨胀的宇宙

哈勃定律

  早在1912年,施里弗(Slipher)就得到了“星云”的光谱,结果表明许多光谱都具有多普勒(Doppler)红移,表明这些“星云”在朝远离我们的方向运动。随后人们知道,这些“星云”实际上是类似银河系一样的星系。

  1929年哈勃(Edwin Hubble)对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究。当时只有46个河外星系的视向速度可以利用,而其中仅有24个有推算出的距离,哈勃得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系。现代精确观测已证实这种线性正比关系哈勃定律

v = H0×d

其中v为退行速度,d为星系距离,H0为比例常数,称为哈勃常数。这就是著名的哈勃定律。

哈勃定律揭示宇宙是在不断膨胀的。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀。因此,在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀,从任何一个星系来看,一切星系都以它为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大。

现 代 宇 宙 学

  进入20世纪以来,由于人类科学技术的飞速发展,天文观测手段出现一次又一次的革命性的进展,观测到了上百亿光年的宇宙空间,了解到天体的上百亿年的时间演化。天文学家们对这样的大尺度空间和悠久的时间里的物质演变产生了浓厚的兴趣。如何解释已观测到的许许多多客观事实,如何利用现代物理学对这许许多多观测事实给予科学的说明?这些就是现代宇宙学的任务,它是天文学中的一个分支。也就是说,现代宇宙学从整体上研究大尺度的时空性质,物质运动的规律。它是当代天文学中最活跃的前沿阵地之一。现代宇宙学的最大特征是必须尊重观测到的客观事实,不能凭想象。而且必须能在理论物理学的基础上给予科学的说明。它涉及到恒星的起源和演化,星系的起源和演化,元素的起源和演化等多方面的基础理论问题。人们最想知道的是:宇宙是什么样子呢?宇宙有多大?宇宙的结构如何?宇宙有没有诞生之日和终结之时?

  20世纪以来,天文学家们建立起多种宇宙模型。概括起来主要有两大派别:一类叫稳恒态宇宙模型,它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是不随时间变化的,稳恒不变。不仅在空间上是均匀的,各向同性的,而且在时间上也是稳定的。这是1948年英国天文学家邦迪(Hermann Bondi;)等人提出的;另一类叫演化态模型,它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是随时间在变化的。这是1922年,苏联数学家弗里德曼(Friedmann)在解爱因斯坦引力场方程时得到的。在众多的宇宙模型中,目前影响较大的是热大爆炸宇宙学说。

  热大爆炸宇宙学认为,大约在150亿年前,在一个致密炽热的奇点发生了惊人的热大爆炸。这场爆炸后,形成迅速的膨胀,逐渐形成了我们今日可见的宇宙。这就告诉我们,不仅宇宙间的万物在演化,大尺度的宇宙本身也是演化的主体。那么,现在有没有观测到的事实来支持这个观点呢?上面介绍的有关星系的红移现象和哈勃定律等,都支持了宇宙还在膨胀之中的论点。另外,20世纪60年代天文学中的四大发现之一的微波背景辐射认为,星空背景普遍存在着2.7K微波背景辐射,这种辐射在天空中是各向同性的。这同由理论预言的热大爆炸遗留下的余热相符,有利地支持了大爆炸宇宙学的观点。但是,热大爆炸宇宙学也有些根本性问题没解决。如大爆炸前的宇宙是什么样,大爆炸是怎么引起的、宇宙的膨胀未来是什么结局?……。关于宇宙的问题虽然没有解决,但是,我们可以看到两个伟大的事实:一、人是宇宙物质演化的结果。而人的思维又反过来认识宇宙间的万物,充分体现了人的智慧和力量的伟大;二、人类对宇宙的认识,特别是近几十年来在观测事实和理论分析中都有巨大的飞跃,它预示着未来会有突破性的伟大成就,这是人类社会和科学发展的规律,我们每个人都不是局外人。

如果在一个清澈的、无月亮的夜晚仰望星空,能看到的最亮的星体最可能是金星、 火星、木星和土星这几颗行星,还有巨大数目的类似太阳、但离开我们远得多的恒星。 事实上,当地球绕着太阳公转时,某些固定的恒星相互之间的位置确实起了非常微小的 变化——它们不是真正固定不动的2这是因为它们距离我们相对靠近一些。当地球绕着太 阳公转时,相对于更远处的恒星的背景,我们从不同的位置观测它们。这是幸运的,因 为它使我们能直接测量这些恒星离开我们的距离,它们离我们越近,就显得移动得越多。 最近的恒星叫做普罗希马半人马座,它离我们大约4光年那么远(从它发出的光大约花4 年才能到达地球),也就是大约23万亿英哩的距离。大部分其他可用肉眼看到的恒星离 开我们的距离均在几百光年之内。与之相比,我们太阳仅仅在8光分那么远!可见的恒星 散布在整个夜空,但是特别集中在一条称为银河的带上。远在公元1750年,就有些天文 学家建议,如果大部分可见的恒星处在一个单独的碟状的结构中,则银河的外观可以得 到解释。碟状结构的一个例子,便是今天我们叫做螺旋星系的东西。只有在几十年之后, 天文学家威廉·赫歇尔爵士才非常精心地对大量的恒星的位置和距离进行编目分类,从 而证实了自己的观念。即便如此,这个思想在本世纪初才完全被人们接受。 1924年,我们现代的宇宙图象才被奠定。那是因为美国天文学家埃得温·哈勃证明 了,我们的星系不是唯一的星系。事实上,还存在许多其他的星系,在它们之间是巨大 的空虚的太空。为了证明这些,他必须确定这些星系的距离。这些星系是如此之遥远, 不像邻近的恒星那样,它们确实显得是固定不动的。所以哈勃被迫用间接的手段去测量 这些距离。众所周知,恒星的表观亮度决定于两个因素:多少光被辐射出来(它的绝对 星等)以及它离我们多远。对于近处的恒星,我们可以测量其表观亮度和距离,这样我 们可以算出它的绝对亮度。相反,如果我们知道其他星系中恒星的绝对亮度,我们可用 测量它们的表观亮度的方法来算出它们的距离。哈勃注意到,当某些类型的恒星近到足 够能被我们测量时,它们有相同的绝对光度;所以他提出,如果我们在其他星系找出这 样的恒星,我们可以假定它们有同样的绝对光度——这样就可计算出那个星系的距离。 如果我们能对同一星系中的许多恒星这样做,并且计算结果总是给出相同的距离,则我 们对自己的估计就会有相当的信赖度。 埃得温·哈勃用上述方法算出了九个不同星系的距离。现在我们知道,我们的星系 只是用现代望远镜可以看到的几千亿个星系中的一个,每个星系本身都包含有几千亿颗 恒星。图3.1所示的便是一个螺旋星系的图,从生活在其他星系中的人来看我们的星系, 想必也是类似这个样子。我们生活在一个宽约为10万光年并慢慢旋转着的星系中;在它 的螺旋臂上的恒星绕着它的中心公转一圈大约花几亿年。我们的太阳只不过是一个平常 的、平均大小的、黄色的恒星,它靠近在一个螺旋臂的内边缘。我们离开亚里士多德和 托勒密的观念肯定是相当遥远了,那时我们认为地球是宇宙的中心!

 
 

    图3.1
    恒星离开我们是如此之远,以致使我们只能看到极小的光点,而看不到它们的大小
和形状。这样怎么能区分不同的恒星种类呢?对于绝大多数的恒星,只有一个特征可供
观测——光的颜色。牛顿发现,如果太阳光通过一个称为棱镜的三角形状的玻璃块,就
会被分解成像彩虹一样的分颜色(它的光谱)。将一个望远镜聚焦在一个单独的恒星或
星系上,人们就可类似地观察到从这恒星或星系来的光谱线。不同的恒星具有不同的光
谱,但是不同颜色的相对亮度总是刚好和一个红热的物体发出的光谱完全一致。(实际
上,从一个不透明的灼热的物体发出的光,有一个只依赖于它的温度的特征光谱——热
谱。这意味着可以从恒星的光谱得知它的温度。)并且,我们发现,某些非常特定的颜
色在恒星光谱里找不到,这些失去的谱线可以因不同的恒星而异。既然我们知道,每一
化学元素都有非常独特的吸收光谱线族,将它们和恒星光谱中失去的谱线相比较,我们
就可以准确地确定恒星大气中存在什么元素。
    在20年代天文学家开始观察其他星系中的恒星光谱时,他们发现了最奇异的现象:
它们和我们的银河系一样具有吸收的特征线族,只是所有这些线族都向光谱的红端移动
了同样相对的量。为了理解这个含意,我们必须先理解多普勒效应。我们已经知道,可
见光即是电磁场的起伏或波动,其频率(或每秒的振动数)高达4到7百万亿次的振动。
对不同频率的光,人的眼睛看起来为不同颜色,最低的频率出现在光谱的红端,而最高
频率在蓝端。想像在离开我们一个固定的距离处有一光源——例如恒星——以固定的频
率发出光波,显然我们接受到的波频率和发出时的频率一样(星系的引力场没有足够强
到对它有明显的效应)。现在假定这恒星光源开始向我们运动,当光源发出第二个波峰
时,它离开我们更近一些,这样此波峰到达我们处所用的时间比恒星不动时要少。这意
味着,这两个波峰到达我们的时间间隔变小了,所以我们接收到的波的每秒振动数(频
率)比恒星静止时高。同样,如果光源离我们而去,我们接收到的波频率就变低了。所
以对于光来说,这意味着,当恒星离开我们而去时,它们的光谱向红端移动(红移);
而当恒星靠近我们而来时,光谱则蓝移。这个称之为多普勒效应的频率和速度的关系是
我们日常所熟悉的,例如我们听路上来往小汽车的声音:当它开过来时,它的发动机的
音调变高(对应于声波的高频率);当它通过我们身边而离开时,它的音调变低。光波
或无线电波的行为与之类似。警察就是利用多普勒效应的原理,以无线电波脉冲从车上
反射回来的频率来测量车速。
    在哈勃证明了其他星系存在之后的几年里,他花时间为它们的距离以及观察到的光
谱分类。那时候大部份人相信,这些星系的运动相当紊乱,所以预料会发现和红移光谱
一样多的蓝移光谱。但是,十分令人惊异的是,他发现大部份星系是红移的——几乎所
有都远离我们而去!更惊异的是1929年哈勃发表的结果:甚至星系红移的大小也不是杂
乱无章的,而是和星系离开我们的距离成正比。换句话讲,星系越远,则它离开我们运
动得越快!这表明宇宙不可能像原先人们所想像的那样处于静态,而实际上是在膨胀;
不同星系之间的距离一直在增加着。
    宇宙膨胀的发现是20世纪最伟大的智慧革命之一。事后想起来,何以过去从来没有
人想到这一点?!牛顿或其他人应该会意识到,静态的宇宙在引力的影响下会很快开始
收缩。然而现在假定宇宙正在膨胀,如果它膨胀得相当慢,引力会使之最终停止膨胀,
然后开始收缩。但是,如果它膨胀得比某一临界速率更快,引力则永远不足够强而使其
膨胀停止,宇宙就永远继续膨胀下去。这有点像一个人在地球表面引燃火箭上天时发生
的情形,如果火箭的速度相当慢,引力将最终使之停止并折回地面;另一方面,如果火
箭具有比某一临界值(大约每秒7英哩)更高的速度,引力的强度不足以将其拉回,所以
它将继续永远飞离地球。19世纪、18世纪甚至17世纪晚期的任何时候,人们都可以从牛
顿的引力论预言出宇宙的这个行为。然而,静态宇宙的信念是如此之强,以至于一直维
持到了20世纪的早期。甚至爱因斯坦于1915年发表其广义相对论时,还是如此之肯定宇
宙必须是静态的,以使得他在其方程中不得不引进一个所谓的宇宙常数来修正自己的理
论,使静态的宇宙成为可能。爱因斯坦引入一个新的“反引力”,这力不像其他的力那
样,不发源于任何特别的源,而是空间——时间结构所固有的。他宣称,空间——时间
有一内在的膨胀的趋向,这可以用来刚好去平衡宇宙间所有物质的相互吸引,结果使宇
宙成为静态的。当爱因斯坦和其他物理学家正在想方设法避免广义相对论的非静态宇宙
的预言时,看来只有一个人,即俄国物理学家和数学家亚历山大·弗利德曼愿意只用广
义相对论着手解释它。
    弗利德曼对于宇宙作了两个非常简单的假定:我们不论往哪个方向看,也不论在任
何地方进行观察,宇宙看起来都是一样的。弗利德曼指出,仅仅从这两个观念出发,我
们就应该预料宇宙不是静态的。事实上,弗利德曼在1922年所做的预言,正是几年之后
埃得温·哈勃所观察到的结果。
    很清楚,关于在任何方向上宇宙都显得是一样的假设实际上是不对的。例如,正如
我们所看到的,我们星系中的其他恒星形成了横贯夜空的叫做银河系的光带。但是如果
看得更远,星系数目就或多或少显得是同样的。所以假定我们在比星系间距离更大的尺
度下来观察,而不管在小尺度下的差异,则宇宙确实在所有的方向看起来是大致一样的。
在很长的时间里,这为弗利德曼的假设——作为实际宇宙的粗糙近似提供了充分的证实。
但是,近世出现的一桩幸运的事件所揭示的事实说明了,弗利德曼假设实际上异常准确
地描述了我们的宇宙。
    1965年,美国新泽西州贝尔电话实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在检
测一个非常灵敏的微波探测器时(微波正如光波,但是它的频率只有每秒100亿次振动的
数量级),他们的检测器收到了比预想的还要大的噪声。彭齐亚斯和威尔逊为此而忧虑,
这噪声不像是从任何特别方向来的。首先他们在探测器上发现了鸟粪并检查了其他可能
的故障,但很快就排除了这些可能性。他们知道,当探测器倾斜地指向天空时,从大气
层里来的噪声应该比原先垂直指向时更强,因为光线在沿着靠近地平线方向比在头顶方
向要穿过更厚的大气。然而,不管探测器朝什么方向,这额外的噪声都是一样的,所以
它必须是从大气层以外来的,并且在白天、夜晚、整年,也就是甚至地球绕着自己的轴
自转或绕太阳公转时也是一样的。这表明,这辐射必须来自太阳系以外,甚至星系之外,
否则当地球的运动使探测器指向不同方向时,噪声必须变化。事实上,我们知道这辐射
必须穿过我们可观察到的宇宙的大部分,并且由于它在不同方向都一样,至少在大尺度
下,这宇宙也必须是各向同性的。现在我们知道,不管我们朝什么方向看,这噪声的变
化总不超过万分之一。这样,彭齐亚斯和威尔逊无意中极其精确地证实了弗利德曼的第
一个假设。
    大约同时,在附近的普林斯顿的两位美国物理学家,罗伯特·狄克和詹姆士·皮帕
尔斯也对微波感兴趣。他们正在研究乔治·伽莫夫(曾为亚历山大·弗利德曼的学生)
的一个见解:早期的宇宙必须是非常密集的、白热的。狄克和皮帕尔斯认为,我们仍然
能看到早期宇宙的白热,这是因为光是从它的非常远的部分来,刚好现在才到达我们这
儿。然而,宇宙的膨胀使得这光被如此厉害地红移,以至于现在只能作为微波辐射被我
们所看到。正当狄克和皮帕尔斯准备寻找这辐射时,彭齐亚斯和威尔逊听到了他们所进
行的工作,并意识到,自己已经找到了它。为此,彭齐亚斯和威尔逊被授予1978年的诺
贝尔奖(狄克和皮帕尔斯看来有点难过,更别提伽莫夫了!)
    现在初看起来,关于宇宙在任何方向看起来都一样的所有证据似乎暗示,我们在宇
宙的位置有点特殊。特别是,如果我们看到所有其他的星系都远离我们而去,那似乎我
们必须在宇宙的中心。然而,还存在另外的解释:从任何其他星系上看宇宙,在任何方
向上也都一样。我们知道,这正是弗利德曼的第二个假设。我们没有任何科学的证据去
相信或反驳这个假设。我们之所以相信它只是基于谦虚:因为如果宇宙只是在我们这儿
看起来各向同性,而在宇宙的其他地方并非如此,则是非常奇异的!在弗利德曼模型中,
所有的星系都直接相互离开。这种情形很像一个画上好多斑点的气球被逐渐吹胀。当气
球膨胀时,任何两个斑点之间的距离加大,但是没有一个斑点可认为是膨胀的中心。并
且斑点相离得越远,则它们互相离开得越快。类似地,在弗利德曼的模型中,任何两个
星系互相离开的速度和它们之间的距离成正比。所以它预言,星系的红移应与离开我们
的距离成正比,这正是哈勃所发现的。尽管他的模型的成功以及预言了哈勃的观测,但
是直到1935年,为了响应哈勃的宇宙的均匀膨胀的发现,美国物理学家哈瓦·罗伯逊和
英国数学家阿瑟·瓦尔克提出了类似的模型后,弗利德曼的工作在西方才被普遍知道。
    虽然弗利德曼只找到一个模型,其实满足他的两个基本假设的共有三种模型。在第
一种模型(即弗利德曼找到的)中,宇宙膨胀得足够慢,以至于在不同星系之间的引力
使膨胀变慢下来,并最终使之停止。然后星系开始相互靠近,宇宙开始收缩。图3.2表示
随时间增加两个邻近的星系的距离的变化。刚开始时距离为零,接着它增长到最大值,
然后又减小到零;在第二类解中,宇宙膨胀得如此之快,以至于引力虽然能使之缓慢一
些,却永远不能使之停止。图3.3表示此模型中的邻近星系的距离随时间的变化。刚开始
时距离为零,最后星系以稳恒的速度相互离开;最后,还有第三类解,宇宙的膨胀快到
足以刚好避免坍缩。正如图3.4所示,星系的距离从零开始,然后永远增大。然而,虽然
星系分开的速度永远不会变为零,这速度却越变越慢。
 


    图3.2

    图3.3

图3.4 第一类弗利德曼模型的奇异特点是,宇宙在空间上不是无限的,并且是没有边界的。 引力是如此之强,以至于空间被折弯而又绕回到自身,使之相当像地球的表面。如果一 个人在地球的表面上沿着一定的方向不停地旅行,他将永远不会遇到一个不可超越的障 碍或从边缘掉下去,而是最终走到他出发的那一点。第一类弗利德曼模型中的空间正与 此非常相像,只不过地球表面是二维的,而它是三维的罢了。第四维时间的范围也是有 限的,然而它像一根有两个端点或边界即开端和终端的线。以后我们会看到,当人们将 广义相对论和量子力学的测不准原理结合在一起时,就可能使空间和时间都成为有限的、 但却没有任何边缘或边界。 一个人绕宇宙一周最终可回到出发点的思想是科学幻想的好题材,但实际上它并没 有多大意义。因为可以指出,一个人还没来得及绕回一圈,宇宙已经坍缩到了零尺度。 你必须旅行得比光波还快,才能在宇宙终结之前绕回到你的出发点——而这是不允许的! 在第一类弗利德曼模型中,宇宙膨胀后又坍缩,空间如同地球表面那样,弯曲后又 折回到自己。在第二类永远膨胀的模型中,空间以另外的方式弯曲,如同一个马鞍面。 所以,在这种情形下空间是无限的。最后,在第三类刚好以临界速率膨胀的弗利德曼模 型中,空间是平坦的(所以也是无限的)。 但是究竟可用何种弗利德曼模型来描述我们的宇宙呢?宇宙最终会停止膨胀并开始 收缩或将永远膨胀吗?要回答这个问题,我们必须知道现在的宇宙膨胀速度和它现在的 平均密度。如果密度比一个由膨胀率决定的某临界值还小,则引力太弱不足于将膨胀停 住;如果密度比这临界值大,则引力会在未来的某一时刻将膨胀停止并使宇宙坍缩。 利用多普勒效应,可由测量星系离开我们的速度来确定现在的宇宙膨胀速度。这可 以非常精确地实现。然而,因为我们不是直接地测量星系的距离,所以它们的距离知道 得不是非常清楚。所有我们知道的是,宇宙在每10亿年里膨胀5%至10%。然而,我们对 现在宇宙的平均密度测量得更不准。我们如果将银河系和其他所有能看到的星系的恒星 的质量加起来,甚至是按对膨胀率的最低的估值而言,其质量总量比用以阻止膨胀的临 界值的1%还少。然而,在我们以及其他的星系里应该有大量的“暗物质”,那是我们不 能直接看到的,但由于它的引力对星系中恒星轨道的影响,我们知道它必定存在。况且 人们发现,大多数星系是成团的。类似地,由其对星系运动的效应,我们能推断出还有 更多的暗物质存在于这些成团的星系之间。将所有这些暗物质加在一起,我们仍只能获 得必须用以停止膨胀的密度的十分之一。然而,我们不能排除这样的可能性,可能还有 我们未能探测到的其他的物质形式几乎均匀地分布于整个宇宙,它仍可以使得宇宙的平 均密度达到停止膨胀所必要的临界值。所以,现在的证据暗示,宇宙可能会无限地膨胀。 但是,所有我们能真正了解的是,既然它已经膨胀了100亿年,即便如果宇宙还要坍缩, 则至少要再过这么久才有可能。这不应使我们过度忧虑——到那时候。除非我们到太阳 系以外开拓殖民地,人们早由于太阳的熄灭而死亡殆尽! 所有的弗利德曼解都具有一个特点,即在过去的某一时刻(约100到200亿年之前) 邻近星系之间的距离为零。在这被我们称之为大爆炸的那一时刻,宇宙的密度和空间— —时间曲率都是无穷大。因为数学不能处理无穷大的数,这表明广义相对论(弗利德曼 解以此为基础)预言,在宇宙中存在一点,在该处理论自身失效。这正是数学中称为奇 点的一个例子。事实上,我们所有的科学理论都是基于空间——时间是光滑的和几乎平 坦的基础上被表述的,所以它们在空间——时间曲率为无穷大的大爆炸奇点处失效。这 表明,即使在大爆炸前存在事件,人们也不可能用之去确定之后所要发生的事件,因为 可预见性在大爆炸处失效了。正是这样,与之相应的,如果我们只知道在大爆炸后发生 的事件,我们也不能确定在这之前发生的事件。就我们而言,发生于大爆炸之前的事件 不能有后果,所以并不构成我们宇宙的科学模型的一部分。因此,我们应将它们从我们 模型中割除掉,并宣称时间是从大爆炸开始的。 很多人不喜欢时间有个开端的观念,可能是因为它略带有神的干涉的味道。(另一 方面,天主教抓住了大爆炸模型,并在1951年正式宣布,它和《圣经》相一致。)所以, 许多人企图避免大爆炸曾经存在过的这一结论。所谓的稳态理论得到过最广泛的支持。 这是由两个纳粹占领的奥地利来的难民,赫曼·邦迪和托马斯·高尔德,以及一个战时 和他们一道从事研制雷达的英国人,弗雷得·霍伊尔于1948年共同提出的。其想法是, 当星系互相离开时,在它们中的间隙由正在连续产生的新物质不断地形成新的星系。因 此,在空间的所有地方以及在所有的时间,宇宙看起来大致是相同的。稳态理论需要对 广义相对论进行修正,使之允许物质的。连续生成,但是其产生率是如此之低(大约每 立方公里每年才产生一个粒子),以至于不与实验相冲突。在第一章 叙述的意义上, 这是一个好的科学理论:它非常简单,并做出确定的预言让观察检验。其中一个预言是, 我们在宇宙的任何时候任何地方看给定的空间体积内星系或类似物体的数目必须一样。 本世纪50年代晚期和60年代早期,由马丁·赖尔(他战时也和邦迪·高尔德以及霍伊尔 共事作雷达研究)领导的一个天文学家小组在剑桥对从外空间来的射电源进行了普查。 这个小组指出,这些射电源的大部分是位于我们星系之外(它们之中的许多确实可被认 证与其他星系相关),并且存在的弱源比强源多得多。他们将弱源解释为更遥远的源, 强源为较近的源。结果发现,单位空间体积内普通的源在近处比远处稀少。这可能表明, 我们处于宇宙的一个巨大区域的中心,在这儿的源比其他地方稀少。另外的一个解释是, 宇宙在射电开始发出的过去的那一时刻具有比我们现有的更密集的源。任何一种解释都 和稳态理论相矛盾。况且,1965年彭齐亚斯和威尔逊的微波背景辐射的发现又指出,宇 宙在过去必须密集得多。因此稳态理论必须被抛弃。 1963年,两位苏联科学家欧格尼·利弗席兹和伊萨克·哈拉尼可夫做了另一个尝试, 设法避免存在大爆炸并因此引起时间起点的问题。他们提出;大爆炸可能只是弗利德曼 模型的特性,这个模型毕竟只是真实宇宙的近似。也许,所有大体类似实在宇宙的模型 中,只有弗利德曼模型包含大爆炸奇点。在弗利德曼模型中,所有星系都是直接互相离 开——所以一点不奇怪,在过去的某一时刻它们必须在同一处。然而,在实际的宇宙中, 星系不仅仅是直接互相离开——它也有一点横向速度。所以,在现实中它们从来没必要 在同一处,只不过非常靠近而已。也许,现在膨胀着的宇宙不是大爆炸奇点的结果,而 是从早期的收缩相而来的;当宇宙坍缩时,其中的粒子可以不都碰撞,而是互相离得很 近穿过然后又离开,产生了现在的宇宙膨胀。何以得知这实际的宇宙是否从大爆炸开始 的呢?利弗席兹和哈拉尼可夫研究的模型大体和弗利德曼模型相像,但是考虑了实际宇 宙中的星系的不规则性和杂乱速度。他们指出,即使星系不再总是直接互相离开,这样 的模型也可从一个大爆炸开始。但是他们宣称,这只可能发生在一定的例外的模型中, 星系在这儿以正确的方式运动。他们论证道;似乎没有大爆炸奇点的类弗利德曼模型比 有此奇点的模型多无限多倍,所以我们的结论应该是,实际中没有过大爆炸。然而,他 们后来意识到,存在更为广泛的具有奇性的类弗利德曼模型,星系在那儿并不需要以任 何特别的方式运动。所以,1970年他们收回了自己的宣布。 利弗席兹和哈拉尼科夫的工作是有价值的。因为它显示了,如果广义相对论是正确 的,宇宙可以有过奇点,一个大爆炸。然而,它没有解决关键的问题:广义相对论是否 预言我们的宇宙必须有过大爆炸或时间的开端?对这个问题,英国数学家兼物理学家罗 杰·彭罗斯在1965年以完全不同的手段给出了回答。利用广义相对论中光锥行为的方式 以及引力总是吸引这一事实,他指出,坍缩的恒星在自己的引力作用下被陷入到一个区 域之中,其表面最终缩小到零。并且由于这区域的表面缩小到零,它的体积也应如此。 恒星中的所有物质将被压缩到一个零体积的区域里,所以物质的密度和空间——时间的 曲率变成无限大。换言之,人们得到了一个奇点,它被包含在叫做黑洞的空间——时间 的一个区域中。 初看起来,彭罗斯的结果只适用于恒星,它并没有涉及到任何关于整个宇宙的过去 是否有个大爆炸奇点的问题。然而,正当彭罗斯在创造他的定理之时,我是一个正在尽 力寻求一个问题可用之完成博士论文的研究生。两年之前我即被诊断得了ALS病,通常又 被称为卢伽雷病或运动神经细胞病,并且我被告知只有一两年可活了。在这种情况下, 看来没有很多必要攻读我的博士学位了——我预料不能活那么久。然而两年过去了,我 没有糟到那种程度。事实上,我的事情还进行得相当好,还和一个非常好的姑娘简·瓦 尔德定婚了。但是为了结婚,我需要一个工作;为了得到工作,我需要一个博士学位。 1965年,我读到彭罗斯关于任何物体受到引力坍缩必须最终形成一个奇点的定理。 我很快意识到,如果人们将彭罗斯定理中的时间方向颠倒以使坍缩变成膨胀,假定现在 宇宙在大尺度上大体类似弗利德曼模型,这定理的条件仍然成立。彭罗斯定理指出,任 何坍缩必须终结于一个奇点;其时间颠倒的论断则是,任何类弗利德曼膨胀模型必须从 一个奇点开始。为了技巧上的原因,彭罗斯定理需要以宇宙在空间上是无限的为条件。 所以事实上,我能用它来证明,只有当宇宙膨胀得快到足够以避免重新坍缩时(因为只 有那些弗利德曼模型才是空间无限的),必须存在一个奇点。 以后的几年中,我发展了新的数学技巧,从证明奇性必须发生的定理中除去了这个 和其他技术上的条件。最后的结果是1970年彭罗斯和我的合作论文。那篇论文最后证明 了,假定广义相对论是正确的,宇宙包含着我们观测到的这么多物质,则过去必须有一 大爆炸奇点。我们的工作遭到许许多多的反对,部分来自苏联人,由于他们对科学宿命 论的信仰;另一部分来自某些人,他们不喜欢整个奇点的观念,并认为这糟蹋了爱因斯 坦理论的完美。然而,人实在不能辩赢数学定理。所以最终我们的工作被广泛接受,现 在几乎每个人都假定宇宙是从一个大爆炸奇点开始的。颇具讽刺意味的是,现在我改变 了想法,试图去说服其他物理学家,事实上在宇宙的开端并没有奇点——正如我们将看 到的,只要考虑了量子效应,奇性则会消失。 从这一章 我们看到,在不到半个世纪的时间里,人们几千年来形成的关于宇宙的 观点被改变了。哈勃关于宇宙膨胀的发现,并意识到我们的行星在茫茫的宇宙中的微不 足道,只不过是起点而已。随着实验和理论证据的积累,人们越来越清楚地认识到,宇 宙在时间上必须有个开端。直到1970年,在爱因斯坦的广义相对论的基础上,这才被彭 罗斯和我所证明。这个证明显示,广义相对论只是一个不完全的理论,它不能告诉我们 宇宙是如何开始的。因为它预言,所有包括它自己在内的物理理论都在宇宙的开端失效。 然而,广义相对论宣称自己只是一个部分理论,所以奇点定理真正所显示的是,在极早 期宇宙中有过一个时刻,那时宇宙是如此之小,以至于人们不能再不管20世纪另一个伟 大的部分理论——量子力学的小尺度效应。20世纪70年代初期,我们被迫从对极其巨大 范围的理论研究转到对极其微小范围的理论研究。下面在我们进而努力将这两个部分理 论结合成一个单独的量子引力论之前,首先描述量子力学这个理论。

一个神秘的能量正在使宇宙加速膨胀,在未来的某一刻,这个可怕的能量将把星系、恒星、行星一一撕裂,最终将把所有的一切都撕裂,时间也将终结。
* 银河系将变成宇宙中的孤魂野鬼?

就像是个梦,我们在那里漂游,永远到达不了彼岸。宇宙也一样,如我们研究所发现的那样,在不断地漂移远去,注定要消失在时间、空间和物理定律的迷幻中。到那时,这些遥远的群星只留下一些像孤魂一样暗淡无光的影子,淡入阴曹地府般深不见底的宇宙中,只有那残存的影子记录着他们最后的瞬间。

今天,越来越多的迹象表明,宇宙正处于一种加速的膨胀中,所有遥远的星系都在漂离我们而去,并且漂离的速度越来越快!随着时间推移,最终那些星系都将以高于光速的速度漂离,从那些星系上发出的光子的速度就赶不上宇宙膨胀的速度,光子所携带的信息再也不能穿过宇宙空间,到达我们所处的银河系的家。

实际上,那些距离地球六七十亿光年的星系现在已经不能发送新信息到地球上了。这些星系的光谱已经红移了太多。由于宇宙加速膨胀,它们以后再也不能向我们传送任何放射性的信号,所有的星系只留下一个最后的、凝固的影像。我们将再也不能收集到这些星系此后所散发的任何光和其它辐射,它们在时间和空间里被凝结了。这情形有点像黑洞,根据黑洞理论,物质掉到那个黑洞里以后,会留下一个最后的影像,这样洞外还可以看到这个影像,但这只是一个永恒不变、没有活力的影像,把它比作人的遗像也不过分。

即便是那些凝固的影像也将最终消失。因此,亿万年后,宇宙也将真的成为一个空空荡荡的寂寞之地。也许我们还可以看到一些屈指可数的离银河星系很近的星系,可能只有几千个左右,这些星系不再会屈从于宇宙膨胀理论,由于远离的星系对它们的引力越来越小,直到最后几乎消失,因此这些在银河星系附近的星系与银河系之间的引力会越来越大,这种引力会使它们和我们的银河系的距离越来越近,并最终和我们所在的银河系相撞……

科学家们估计,距那一天的到来,只有大约不到1000亿年的时间。这意味着,在500亿到1000亿年后,我们将收集不到任何来源于银河系以外的关于星系的新信息。假设这些星系里有文明存在的话,我们也将永远没有办法与他们取得联系。

银河系,将成为宇宙中的孤魂野鬼。

想像一下,当所有的星系离我们远去的时候,当我们抬头仰望天空,我们只能看到我们自己的家,那个像“牛奶之路”(银河的英文“Milk Way”直译过来是“牛奶之路”的意思)一样的银河系的时候,当我们再向远处眺望时,只能看到那空荡荡、漆黑一片的世界时,我们是不是也会感觉有点孤单?是不是会感觉自己也像个孤魂野鬼?那些致力于寻找外星文明的科学家们常问这样一句话:Are we alone?(我们孤独吗?)到那时候,是不是整个银河系都要问:Are we alone?

* 最终决定宇宙命运的力量

是什么样的力量使宇宙在不可遏止地膨胀,所有的星系都义无反顾地远离我们而去?最近的研究表明,这是一种澎湃在宇宙所有角落的神秘暗能量。宇宙被暗能量所控制,而我们却看不到它,就像你看到树叶簌簌抖动时,你知道是风吹动了它,但你却看不到风一样。

这种神秘的暗能量隐蔽得如此之巧妙,连天文学家长时间以来都知之甚少。它在太阳系内根本不会被察觉,甚至在我们的银河系中也不会产生任何效应。但是,在星系之间物质更加稀薄的环境下,它的作用会超出引力,使宇宙膨胀加速。

我们通常把星系之间没有物质的真空地带想象成“什么也没有”,但是,如果我们从星际空间中把其中存在的稀少的物质粒子全部移走,然后将所有穿过这个区域的辐射也全部屏蔽出去,再把这个区域彻底冷却到绝对零度,这样得到的空洞空间仍然会有某种残余的能量,这就是暗能量。所以又有人把暗能量称之为“真空能”,在物理上它表现得更像一个真空。上世纪二三十年代,就有科学家认为真空不空,只是物理的探测仪器探测不到罢了!

暗能量在宇宙中更像是一种背景,就像是空气对于人类,或者是大海对于鱼儿一样,根本让人感觉不到它的存在,但它确确实实的存在着,且起着非同一般的作用。

暗能量登上天文学的舞台是在1998年,当时两个天文学家研究小组对遥远星系中爆炸的超新星进行观测之后,发现它们的亮度比预期的要暗,而这意味着它们的位置要比预期的位置远,也就是说它们正在远离地球。天文学家们认为,造成这种现象的原因是:从几十亿年前的某个时刻开始,宇宙的膨胀速度加快了。

在那以前,天文学家一直以为由于引力的作用,星系彼此施压,宇宙膨胀是逐渐变慢的,最终,宇宙的变化过程会逆转,引力会获胜,而一切又重新收缩回来。但是对超新星的观测结果表明,一股神秘的力量正扮演着引力的反力,导致星系以更快的速度彼此飞离,宇宙终将变成个寒冷、黑暗、没有尽头的世界。

起初,一些研究者质疑这个结果:也许是超新星的光被星云挡住了呢?亦或是超新星本来就比科学家预想的昏暗呢?但是经过仔细验证,这些猜疑全被粉碎,最后剩下唯一的解释就是暗能量。

至此,爱因斯坦、霍金和其他聪明的宇宙学家都错了:宇宙中最有影响的力量不是引力,而是以宇宙常量形式存在的“暗能量”。它可能提供了宇宙四种基本力—— 引力、电磁力、强力和弱力——之外的一种新的基本力:排斥力。

但是未知的东西仍然还有很多,现在还不清楚,使宇宙膨胀的暗能量是不是现今物理学意义上所描述的能量?或者它只是引力在非常遥远距离的一种不同的表现?它的性质是什么?它的密度有多大?等等。

暗能量连同此前发现的暗物质,给了我们一幅彻底陌生的宇宙图景。很多天文学家都为此心烦意乱,他们不得不适应一个没有预计到的、怪异的新宇宙。

人们曾经以为宇宙中除了可见的星系物质外再也空无一物了,然而,大约在60多年前,宇宙学家通过天文观测和理论研究发现,其实在宇宙中,除了普通物质之外还存在着一种神秘的不可见的“暗物质”。普通物质总是能与光发生相互作用,或者在一定的条件下自身就能发光。也就是说,即使普通物质藏身于最黑暗的角落,只要人们拿上手电筒照上一照,总能发现它们。但“暗物质”恰恰相反,它根本不与光发生作用,更不会发光。因为不发光、与光不发生作用,所以在天文上用光的手段绝对看不到它!不管你是用电磁波、无线电,还是用红外射线、伽马射线、X射线,去照射它都毫无用处。科学家只能通过其他手段来间接推导暗物质的存在,而关于暗物质的具体组成成分更是让人一头雾水。

暗物质的问题还没有搞清,现在,又冒出来一个更玄妙的暗能量,怎能不让天文学家感到突兀和尴尬!

现在科学家业已证实,在我们的宇宙中,普通发光物质只占宇宙总能量的0.4%,其它的普通物质也只占3.7%,而暗物质占了近23%,另外的73%则是占主导的暗能量。暗物质和暗能量这两个当今宇宙学上让人最捉摸不透的东西,却占了宇宙总能量和物质的96%,一起支配着宇宙的命运。这就意味着,宇宙中居然还有96%的成分我们无从知晓!

* 爱因斯坦甩不掉的错误

从某种意义上讲,暗能量所导致的宇宙排斥力并非是一个全新的想法。爱因斯坦的广义相对论里已包括了反引力的理论,即所谓的宇宙常数。不过就连爱因斯坦自己,以及其后的很多天文学家都仅把它看成了一个和真实宇宙无关的数学发明。在20世纪90年代以前,没有人想过这个常数会在现实中产生巨大影响。

那是1915年,爱因斯坦发表了他的杰作——广义相对论,广义相对论使我们理解了宇宙空间弯曲的含义,彻底革新了我们的宇宙时空观。1917年,爱因斯坦将广义相对论公式应用到整个宇宙,想看看能否获得对宇宙本质的新认识。当时,所有人都相信,宇宙是封闭而静止的——既不膨胀,也不收缩。但爱因斯坦的公式却让他十分惊讶:公式表明宇宙要么在膨胀,要么在收缩,但就是不能保持静止!

面对着如此不符合“常识”的公式,爱因斯坦觉得他唯一的选择就是引进一个附加因素,以使他的理论导出一个静止不变的宇宙。这个附加因素就是宇宙常数,宇宙常数更准确的说法应该是“宇宙常量”,它代表着真空中有一种看不见的能量,其密度是一个常数,会产生宇宙排斥力。我们只要调整这个常数,就可以平衡引力与宇宙排斥力,而得到静止且封闭的宇宙。

然而伟大的爱因斯坦很快就被闹了个大红脸。1929年,天文学家哈勃发表了他的宇宙膨胀观测结果——所有的星系都正离我们远去,我们的宇宙不是稳态的,是在膨胀的——这个观测完全改写了人类的宇宙观。原先那个没有包含“宇宙常数项”的爱因斯坦方程式,恰恰就描述了一个膨胀中的开放宇宙,爱因斯坦后在方程中加进的宇宙常数成了多余的累赘。

1930 年爱因斯坦还为了哈勃的这个观测而造访威尔逊山天文台,有张照片记录了这次20世纪最伟大的物理学家与天文学家的相遇——爱因斯坦乖乖地盯着望远镜的目镜,哈勃得意洋洋地在旁边抽着烟斗。自此,爱因斯坦抛弃了自己过去信奉的稳态宇宙理论,宇宙常数也被爱因斯坦视为其一生中最大的错误而丢入垃圾桶。

* 然而,爱因斯坦真的错了吗?

这里,有必要指出的是,一个没有加进“宇宙常数项”的爱因斯坦公式虽然也能推导出一个膨胀的宇宙,但其膨胀速度总是逐渐减慢,而不可能越来越快,这就是说,宇宙在极早期一段极速的膨胀后,膨胀的速度便该慢慢减少。这是因为宇宙中物质引力造成的效应,就好比你把一颗球往上拋,地球的引力会让这颗球的上升速度越来越慢一样。而宇宙中到底有多少物质,便决定宇宙到底是会无穷尽地膨胀下去,还是终有一天为因物质的引力而再缩回成为一点。但无论如何,如果我们只把引力考虑进去的话,宇宙的膨胀总是要越来越慢的。

然而,真实的宇宙永远超出我们的想象。今天,更多的观测事实一再显示,我们宇宙的膨胀速度,非但没有因物质的引力作用而越来越慢,反而越来越快!宇宙正在加速膨胀,这就证明了宇宙排斥力存在,这个排斥力的来源就是充盈宇宙的暗能量。

这个暗能量有一个奇怪的特性,就是空间无论怎么扩张,其密度总是恒定不变,而不会随着空间的扩大而稀薄。要理解这一点并不难,鉴于暗能量自身的性质,它在任何虚无的空间中都是存在的,空间每扩大一点,真空中的暗能量也就随之增加一点,空间扩大的地方,就是暗能量产生的地方,所以暗能量的密度总是不变的。与之相比,宇宙空间的物质总量却是基本恒定的,当空间不断扩大,物质的密度就会不断下降,物质宇宙中越来越稀薄。

这一切意味着什么呢?很明显,随着宇宙空间的扩张,暗能量在宇宙中所占的比例将会越来越大。它所产生的宇宙斥力也越来越强大,很快就超过宇宙中的万有引力,使宇宙的膨胀速度不断加快。

宇宙常数就是指这种宇宙空间中恒定的能量密度,它本来描述了宇宙的真实状况,却不能被几十年前的科学家所理解,落得个被抛弃的命运。

现在,宇宙常数起死回生了,爱因斯坦视为一生中最大的错误,到头来竟是对的。虽然,宇宙依旧不是如爱因斯坦早年所想的那般静止不动,但至少,宇宙常数不为零现在已是大多数人所接受的“事实”。这段宇宙常数被发明、被扬弃、又死而复活的历史告诉我们,今日被大多数人或被学术权威相信是正确的事,明日很可能会被证明是错的。

* 暗能量两次改变宇宙进程

这里有一个奇怪的问题:为什么宇宙常数可以帮助爱因斯坦的公式导出一个静态的宇宙,而到了今天宇宙常数复活时却又导出了一个加速膨胀的宇宙?

我们在前面说过,宇宙暗能量是一个定量,能量密度不会随宇宙体积增加而降低,也就是说无论宇宙大小,暗能量的密度都是一个固定值。这样的行为和其它我们熟悉的能量形式,如辐射(光子)能量和一般粒子能量都不一样,这类可观测的能量密度会随宇宙膨胀而下降。而正是因为暗能量的性质怪异,它才能够提供不寻常的宇宙排斥力。随着宇宙空间的不断膨胀,宇宙间物质密度不断降低,而宇宙排斥力却固定不变,这样,曾经帮助爱因斯坦使宇宙静止的宇宙排斥力(宇宙常数)现在成了宇宙加速膨胀的推进剂。

宇宙排斥力的作用曾经使整个宇宙的历史产生过两个转折点。第一次是在宇宙起源之初,在第一秒刚开始的某一时刻,宇宙的尺度突然急剧猛增,那就是我们通常所说的宇宙剧烈暴胀阶段。这个阶段宇宙的膨胀是指数式的,也就是说,在每个固定时间周期里宇宙尺度就扩大一倍。我们假设这个时间周期为1个滴答,那么,2个滴答之后尺度增大到4倍;3个滴答,尺度增加到8倍;10个滴答,这个空间区域膨胀到1000倍以上。在那个暴胀期间,暴胀力异常之强,使得大约每隔 100亿亿亿亿分之一秒(10-34秒)宇宙尺度就扩大一倍。这几乎是个无限小的时间间隔,它就是前面所说的1个滴答。仅仅100个滴答后,一个原子核大小的区域就会暴胀到大约1光年的直径。

为什么宇宙表现出这样诡异的行为?这主要是由于早期宇宙完全被真空暗能量所控制,而那时的宇宙几乎还没有任何物质粒子,因此也就几乎没有任何引力对膨胀起刹车作用,只有强大到几近失控的排斥力造成宇宙的尺度增长得越来越快。

暴胀造成的尺度急剧猛增也解释了我们现在的宇宙为何在各个方向上都如此均匀,因为宇宙任何初始的不规则性都会被空间扩展抹平,这非常像一只气球,当它胀大时其上的皱纹便会消失。同样,不同方向上早期膨胀速度的任何变化也很快被急剧的暴胀所淹没,因为暴胀在各个方向上都有相同的作用力。

后来,随着宇宙温度逐渐冷却,宇宙中结团成块的物质逐渐增加,从粒子到原子、到星云、到恒星和星系,物质密度越来越大,这就意味着物质的引力作用越来越强,并渐渐在与暗能量的抗衡中占了上风,使宇宙膨胀的速度缓慢下来。

然而,大约六七十亿年前,暗能量又一次改变了宇宙的历程。根据最新的观测资料,天文学家估计,那个时期物质引力失去了对宇宙的控制,控制权再次落入了神秘的暗能量之手。这个变化的具体原因迄今无人知晓,最大的可能是,那时期宇宙物质在持续数十亿年密集产生后,进入一个平稳时期,物质产生的数量在逐渐变少,而宇宙仍旧在不断膨胀,致使宇宙空间中物质密度随宇宙体积增加而不断降低,但暗能量的密度却还是恒定的,因此宇宙的排斥力在与物质引力的较量中重新占了上风。

自那以后,宇宙间物质密度愈见稀少,而暗能量密度却始终恒定,因此,宇宙加速膨胀终成定局。

* 万物将被撕裂,宇宙将终结

星系不断地漂移远去,宇宙终将变得寒冷、黑暗、没有尽头,是我们不可避免的命运吗?而这,还远不是宇宙最令人心寒的结局——宇宙可能还有一种更悲惨的下场。

目前,关于暗能量的来源主要有两种理论。一种观点认为,暗能量类似爱因斯坦“宇宙常数”所假设的,是一种从真空中弥漫出来的能量,不会随时间改变,密度固定。但也有科学家提出,暗能量与一种变化的动态能量场相关,密度随时间而改变。

按照暗能量稳定存在的假设,宇宙将会永远加速膨胀下去;而如果暗能量本身不稳定,那么宇宙有可能迎来动荡的末日。已经有迹象表明,这种动态的能量场似乎正变得日益强大,宇宙中暗能量的密度有不断增加的趋势。这意味着,爱因斯坦所发现的宇宙常数似乎在随着时间的推移在增长。

如果真是这样,那宇宙的前景将更加悲惨。暗能量越来越大,直到最后失控,不仅使宇宙膨胀的速度增加,更使其加速度也在不断增加,结果将是一场宇宙大崩裂!

要理解这个问题,你可以想像一下,一辆小车每行进1公里,它的速度就增加了10公里/小时,然后每行进100米又增加了10公里/小时,然后每行进1米又增加了10公里/小时。这样的速度是多么恐怖!过不了多久,汽车就会被自身的加速度撕裂,很快,我们的汽车发动机也将四分五裂,不管我们花费多少心血都没有意义。

显然,宇宙的情况也是如此。如果宇宙仅仅是速度增加,而加速度是恒定的,正如前文所述,所有的星系最终都将超越光速相互退行漂离,结果,每个星系都会在一个寒冷、黑暗的宇宙里像幽灵一样的漂荡。但加速度的急剧变化将使宇宙膨胀的速度快到不可思议,强大的暗能量将撕裂宇宙中所有捆绑在一起的物体,它会撕裂星系的星群,它会撕裂恒星,它会撕裂行星和太阳系,直至最终撕裂一切。

这就是加速度增加与速度增加的不同。

而这一切都取决于宇宙中暗能量的密度是不是在不断增加。

如果暗能量真是如某些科学家所估计的那样正变得日益强大,那么宇宙的终结时间恐怕连500亿年都不到了,也许只有200亿年。如果我们人类能在以后的 200亿年中能幸存下来(由于太阳只剩下50亿年的寿命,这看起来疑云重重),到时候科学家们就能看到一些迹象。

——在大裂变前10亿年,所有的星系会离我们非常非常遥远,就像是在空间中被蒸发了,再也看不到了;

——大裂变前的6000万年,银河系也分崩离析;

——大裂变前的3个月,我们太阳系的行星也飞离(假如它们还存在的话);

——当地球爆炸时,最后的时刻也就到来了;

——当最后30分钟来临的时候,原子甚至原子核也要崩裂了;

——时间终止了。

后来会发生什么?宇宙会再循环聚合吗?一切都不再可知。

暗能量,这个躲藏在黑暗中的神秘力量,乃是宇宙命运的真正主宰!

参考影视:通过“红移现象”观测,证实宇宙正在膨胀中。