今天我們要開始進(jìn)入《宇宙學(xué)新知》系列最后一個(gè)專題，也是大家很好奇的暗能量。要把暗能量到底是什么給你解釋清楚，我必須要從愛因斯坦提出廣義相對(duì)論的那個(gè)時(shí)代講起。

01 愛因斯坦場(chǎng)方程

愛因斯坦在 1915 年提出了著名的廣義相對(duì)論，這個(gè)理論如果用數(shù)學(xué)語言來表達(dá)，就是一個(gè)數(shù)學(xué)方程式，我們把它稱為愛因斯坦場(chǎng)方程。

如果要用一句話來通俗地講什么是廣義相對(duì)論，可以這樣說：萬有引力的本質(zhì)是時(shí)空的彎曲。舉個(gè)例子來說，如果小朋友問：地球?yàn)槭裁蠢@著太陽轉(zhuǎn)呢？

假如是牛頓，會(huì)這么回答：

因?yàn)樘柡偷厍蛑g存在萬有引力，就像一根線牽著地球，太陽把地球甩起來了，所以地球就會(huì)繞著太陽運(yùn)動(dòng)。

但如果小朋友遇到了愛因斯坦，他會(huì)這么回答：

那是因?yàn)樘栔車臅r(shí)空是扭曲的，就好比平坦的表面上有個(gè)巨大的坑，地球就是沿著這個(gè)坑壁不停地轉(zhuǎn)圈圈，速度剛剛好，即不能飛出這個(gè)大坑，也不至于掉進(jìn)坑底。我們?cè)诘厍蛏鲜艿降闹亓σ彩菚r(shí)空彎曲效應(yīng)的體現(xiàn)，踢向天空的足球最后總是會(huì)掉回地面，就是因?yàn)樽闱蛟趶澢臅r(shí)空中運(yùn)動(dòng)。只要速度不夠快，轉(zhuǎn)一圈又會(huì)回來。

愛因斯坦的場(chǎng)方程看上去還挺簡(jiǎn)潔的：

其實(shí)這是因?yàn)閻垡蛩固拱l(fā)明了一套簡(jiǎn)便的數(shù)學(xué)符號(hào)，把一大堆方程組寫成了 3 個(gè)字母，所以看起來才顯得非常簡(jiǎn)潔。其實(shí)攤開了以后是個(gè)非常復(fù)雜的方程組，而且計(jì)算起來極其困難。方程的一邊代表系統(tǒng)的總質(zhì)能，另一邊代表時(shí)空的形狀。換句話說，廣義相對(duì)論就是告訴我們質(zhì)量加能量決定時(shí)空的形狀，他們之間有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系。所以，著名物理學(xué)家惠勒總結(jié)廣義相對(duì)論時(shí)，說了這樣一句名言，他說：物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)。

愛因斯坦認(rèn)為，宇宙里的物質(zhì)是均勻分布的，上下左右各個(gè)方向都沒什么區(qū)別。當(dāng)時(shí)的天文觀測(cè)的確是支持他的想法的。有了這個(gè)前提條件，就可以用場(chǎng)方程來整體計(jì)算宇宙了。但令愛因斯坦自己也沒想到的是，它計(jì)算出了一個(gè)動(dòng)態(tài)的宇宙。

02 一生中最大的錯(cuò)誤

什么叫做動(dòng)態(tài)的宇宙呢？就是說，從整體上來講，宇宙不可能保持靜止，要么就在整體膨脹，要么就在整體縮小，就好比整條河都在流動(dòng)，小船即便什么都不做，也無法靜止在原地。

宇宙怎么可能是動(dòng)態(tài)的呢？愛因斯坦總覺得不對(duì)勁。宇宙整體上應(yīng)該是保持靜止的，一定是自己的方程式少掉了什么，于是他一抬手就加入了一個(gè)宇宙常數(shù) Λ （拉姆達(dá)），這個(gè)常數(shù)加進(jìn)去以后就相當(dāng)于是添加了一種排斥效應(yīng)。

假如數(shù)值合適，就可以讓宇宙保持靜止，不再變化。當(dāng)時(shí)，像愛因斯坦這樣用場(chǎng)方程來計(jì)算宇宙的人還不在少數(shù)。俄國(guó)人弗里德曼也計(jì)算出了和愛因斯坦類似的結(jié)果。

只是弗里德曼比愛因斯坦的膽子大，他欣然接受了動(dòng)態(tài)宇宙這樣一個(gè)貌似很不合理的結(jié)論，但是愛因斯坦不同意他的理論。愛因斯坦認(rèn)為，宇宙學(xué)常數(shù)已經(jīng)解決了這個(gè)問題。哪知道，沒多久，比利時(shí)的神父勒梅特發(fā)現(xiàn)，即便帶上宇宙常數(shù)，算出來的宇宙依然是動(dòng)態(tài)的。

到了 1929 年，哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙中遙遠(yuǎn)的星系都在遠(yuǎn)離我們，而且距離越遠(yuǎn)的星系跑得越快，這說明什么呢？這說明宇宙在膨脹。

膨脹的宇宙

科學(xué)家們總是喜歡用氣球來打比方。一個(gè)氣球，你在表面涂上一些點(diǎn)。當(dāng)氣球被吹大的時(shí)候，所有的點(diǎn)都在彼此遠(yuǎn)離。但是氣球表面是沒有中心點(diǎn)的，你站在每一個(gè)點(diǎn)上都會(huì)看到其他的點(diǎn)在遠(yuǎn)離你，而且是遠(yuǎn)處的跑得快，近處的跑得慢。哈勃在望遠(yuǎn)鏡里也看到了這樣的現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象用宇宙整體膨脹是最合理的一種解釋。

氣球是說明宇宙膨脹的經(jīng)典比喻

愛因斯坦得知這個(gè)消息，他當(dāng)然是非常后悔，原來宇宙真的在膨脹，宇宙真的是動(dòng)態(tài)的。他覺得自己犯了一個(gè)一生中最大的錯(cuò)誤，那就是添加了一個(gè)其實(shí)毫無必要的宇宙常數(shù)。

為什么這是一個(gè)錯(cuò)誤呢？因?yàn)樗谔砑舆@個(gè)常數(shù)的時(shí)候是沒有任何理由的，僅僅是為了滿足他對(duì)宇宙的一個(gè)固有觀念。從這個(gè)角度來講，他的確是犯了一個(gè)錯(cuò)誤。但是在他去世 40 年之后，天文學(xué)界的一個(gè)驚人發(fā)現(xiàn)卻讓這個(gè)宇宙常數(shù)又被后人翻出來賦予了別的含義。不得不承認(rèn)，大師就是大師，犯錯(cuò)誤都能歪打正著。如果愛因斯坦地下有知，不知作何感想。

到底是一個(gè)什么樣的驚人發(fā)現(xiàn)呢？

03 星系在遠(yuǎn)離我們？

這個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)來自于兩隊(duì)獨(dú)立的天文學(xué)家對(duì)遙遠(yuǎn)星系的距離和退行速度的測(cè)量，星系的退行速度可以通過測(cè)量星系發(fā)出的光的光譜來測(cè)量。

這里簡(jiǎn)單介紹一下它的原理：

當(dāng)年牛頓用三棱鏡把太陽光分解成了彩虹的顏色，后來大家又發(fā)現(xiàn)在太陽的光譜里面有很多細(xì)細(xì)的黑線，這一連串的黑線就像條形碼一樣，但是沒人知道這些線條代表什么含義。

光譜線

后來大家才搞懂，原來這些細(xì)線是和各種化學(xué)元素有關(guān)系的。我們通過識(shí)別這些條形碼，就能知道太陽上有什么元素。比如說氦元素就是首先從太陽上發(fā)現(xiàn)的。于是這些黑色的線條就被稱為“吸收譜線”，簡(jiǎn)稱“光譜線”。

氫（上）和氦（下）的光譜線

很快，大家就發(fā)現(xiàn)，光譜線會(huì)出現(xiàn)整體性偏移。特別是那些遙遠(yuǎn)的天體。這說明天體發(fā)光頻率整體發(fā)生了改變。光譜線向紅色那一端偏移就稱為紅移，往藍(lán)色那一端偏移稱為藍(lán)移。哈勃第一個(gè)發(fā)現(xiàn)，大部分天體普遍出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。所以也叫宇宙學(xué)紅移。

紅移現(xiàn)象圖示：光譜線向紅色那一端偏移

宇宙學(xué)紅移代表什么含義呢？代表著光的頻率整體降低。哈勃當(dāng)時(shí)認(rèn)為這是由多普勒效應(yīng)造成的。什么是多普勒效應(yīng)呢？當(dāng)一輛汽車按著喇叭向你飛馳而來的時(shí)候，音調(diào)變高。從你身邊飛馳而過的時(shí)候，又變成了音調(diào)降低。音調(diào)的變化幅度與速度直接相關(guān)，我們可以根據(jù)音調(diào)來計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。光也是一種電磁波，也有多普勒效應(yīng)。哈勃認(rèn)為紅移就代表著天體逃離我們的速度。紅移越大，速度越快。

多普勒效應(yīng)圖示：當(dāng)一輛汽車按著喇叭向你飛馳而來的時(shí)候，音調(diào)變高

不過這里我想插入一個(gè)冷知識(shí)，盡管大多數(shù)科普書在講到星系的紅移時(shí)，都會(huì)用多普勒效應(yīng)解釋，但其實(shí)，如果要較真的話，這個(gè)解釋是錯(cuò)誤的。

造成光譜紅移的原因并不是只有多普勒效應(yīng)一種，宇宙整體膨脹也會(huì)導(dǎo)致星系紅移現(xiàn)象。就好像你把在一根牛皮筋上標(biāo)幾個(gè)點(diǎn)，然后把牛皮筋拉長(zhǎng)，你會(huì)看到點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離全部增大了。你把這跟牛皮筋想象成宇宙，而這些點(diǎn)的間距就是光波的波長(zhǎng)，你就理解了為什么宇宙膨脹，波長(zhǎng)會(huì)增大。宇宙的膨脹導(dǎo)致了光波被拉長(zhǎng)，因此頻率降低，顏色變紅。

但不管原理是什么，光譜的紅移量就像一個(gè)速度表，標(biāo)志著天體與我們之間，空間尺度拉大的速度。而這又跟讓愛因斯坦錯(cuò)誤“歪打正著”的驚人發(fā)現(xiàn)有什么關(guān)系？我們下期再聊。