膨脹中的宇宙

時空不僅僅是彎曲的,它還在運動。引起空間凹陷的恒星、星系和暗物質,并不是固定在某個位置上靜止不動的。它們會一刻不停地相互環(huán)繞做軌道運動,還可能隨著宇宙的演化塌縮或凝聚成更龐大的物體。與此同時,時空也在時刻重新調整形狀,以回應其內部物質和能量的運動——拉伸、壓縮、振動、反彈,等等。如果我們把一大塊質量從一個地方挪到另一個地方,它周圍的時空曲率也會隨之一起移動以適應這一變化。而當一對黑洞相互環(huán)繞時,它們在宇宙中產生的時空波紋就像把石頭扔進池塘后水面上的漣漪。我們還可以想得更遠——在時空更大的尺度上究竟發(fā)生了什么?愛因斯坦方程不僅可以描述像恒星和黑洞這樣的物質個體,它同樣適用于整個宇宙。我們知道宇宙中包含物質和能量,而根據廣義相對論,這些質量和能量的總和將決定宇宙本身的形狀—整體曲率。

1917年,愛因斯坦開始研究他的新理論究竟描述了一個什么樣的宇宙——他和其他物理學家開始尋找廣義相對論方程的解。這些方程雖然不能告訴我們宇宙中具體存在什么物質,或是精確地指出時空會在哪里以哪種程度彎曲,但是,如果我們知道物質的具體分布和運動方式,就能通過廣義相對論方程導出時空的形狀以及它的運動狀態(tài);反之亦然。物質和能量影響時空,然后時空影響物質和能量,物質和能量反過來又影響時空,就這樣循環(huán)往復……找到方程的解,就意味著得到了一個包容物質和能量的分布與運動,以及時空形狀與運動的自洽描述。這樣的解當然會有許多個——而問題的關鍵是要找到那個對應于我們所看到的、正在發(fā)生的宇宙的解。

但他們所得到的卻是一個看似不合理的結果。愛因斯坦把時間編織進他的理論,而作為回報,理論似乎要充分利用這一新的自由度。方程給出的解意味著宇宙本身并不是靜止的。事實上,一旦把物質加入進來,宇宙模型就會發(fā)生坍塌。即使是打破了傳統(tǒng)時間和空間觀念的愛因斯坦,也從來沒有想到宇宙會是不恒定的。而根據當時的觀測證據——遠方的恒星在空間中似乎是固定的——他也有理由認為宇宙是不變的(在1917年確實不存在天文觀測能置疑這一假定)。盡管隨著人類探索范圍的擴大,我們的宇宙模型也在不斷擴展,并遠遠超出了自身銀河系的范圍,但宇宙本身在膨脹這一想法依然是難以置信的。