宇宙的“宇宙模型”之說

　　幾年之后，一個名不見經(jīng)傳的前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗利德曼，應(yīng)用不加宇宙項的場方程，得到一個膨脹的、或脈動的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三維空間上也是均勻、各向同性的，但是，它不是靜態(tài)的。這個宇宙模型隨時間變化，分三種情況。第一種情況，三維空間的曲率是負的；第二種情況，三維空間的曲率為零，也就是說，三維空間是平直的；第三種情況，三維空間的曲率是正的。前兩種情況，宇宙不停地膨脹；第三種情況，宇宙先膨脹，達到一個極大值后開始收縮，然后再膨脹，再收縮？？因此第三種宇宙是脈動的。弗利德曼的宇宙最初發(fā)表在一個不太著名的雜志上。后來，西歐一些數(shù)學(xué)家物理學(xué)家得到類似的宇宙模型。愛因斯坦得知這類膨脹或脈動的宇宙模型后，十分興奮。他認為自己的模型不好，應(yīng)該放棄，弗利德曼模型才是正確的宇宙模型。同時，愛因斯坦宣稱，自己在廣義相對論的場方程上加宇宙項是錯誤的，場方程不應(yīng)該含有宇宙項，而應(yīng)該是原來的老樣子。但是，宇宙項就像“天方夜譚”中從瓶子里放出的魔鬼，再也收不回去了。后人沒有理睬愛因斯坦的意見，繼續(xù)討論宇宙項的意義。今天，廣義相對論的場方程有兩種，一種不含宇宙項，另一種含宇宙項，都在專家們的應(yīng)用和研究中。早在1910年前后，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系的光譜有紅移現(xiàn)象，個別星系的光譜還有紫移現(xiàn)象。這些現(xiàn)象可以用多普勒效應(yīng)來解釋。遠離我們而去的光源發(fā)出的光，我們收到時會感到其頻率降低，波長變長，并出現(xiàn)光譜線紅移的現(xiàn)象，即光譜線向長波方向移動的現(xiàn)象。反之，向著我們迎面而來的光源，光譜線會向短波方向移動，出現(xiàn)紫移現(xiàn)象。這種現(xiàn)象與聲音的多普勒效應(yīng)相似。許多人都有過這樣的感受：迎面而來的火車其鳴叫聲特別尖銳刺耳，遠離我們而去的火車其嗚叫聲則明顯遲鈍。這就是聲波的多普勒效應(yīng)，迎面而來的聲源發(fā)出的聲波，我們感到其頻率升高，遠離我們而去的聲源發(fā)出的聲波，我們則感到其頻率降低。如果認為星系的紅移、紫移是多普勒效應(yīng)，那么大多數(shù)星系都在遠離我們，只有個別星系向我們靠近。隨之進行的研究發(fā)現(xiàn)，那些個別向我們靠近的紫移星系，都在我們自己的本星系團中（我們銀河系所在的星系團稱本星系團）。本星系團中的星系，多數(shù)紅移，少數(shù)紫移；而其他星系團中的星系就全是紅移了。1929年，美國天文學(xué)家哈勃總結(jié)了當(dāng)時的一些觀測數(shù)據(jù)，提出一條經(jīng)驗規(guī)律，河外星系（即我們銀河系之外的其他銀河系）的紅移大小正比于它們離開我們銀河系中心的距離。由于多普勒效應(yīng)的紅移量與光源的速度成正比，所以，上述定律又表述為：河外星系的退行速度與它們離我們的距離成正比：V= HD式中V是河外星系的退行速度， D是它們到我們銀河系中心的距離。這個定律稱為哈勃定律，比例常數(shù)H稱為哈勃常數(shù)。按照哈勃定律，所有的河外星系都在遠離我們，而且，離我們越遠的河外星系，逃離得越快。哈勃定律反映的規(guī)律與宇宙膨脹理論正好相符。個別星系的紫移可以這樣解釋，本星系團內(nèi)部各星系要圍繞它們的共同重心轉(zhuǎn)動，因此總會有少數(shù)星系在一定時間內(nèi)向我們的銀河系靠近。這種紫移現(xiàn)象與整體的宇宙膨脹無關(guān)。哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不過，如果查看一下當(dāng)年哈勃得出定律時所用的數(shù)據(jù)圖，人們會感到驚訝。在距離與紅移量的關(guān)系圖中，哈勃標(biāo)出的點并不集中在一條直線附近，而是比較分散的。哈勃怎么敢于斷定這些點應(yīng)該描繪成一條直線呢？一個可能的答案是，哈勃抓住了規(guī)律的本質(zhì)，拋開了細節(jié)。另 一個可能是，哈勃已經(jīng)知道當(dāng)時的宇宙膨脹理論，所以大膽認為自己的觀測與該理論一致。以后的觀測數(shù)據(jù)越來越精，數(shù)據(jù)圖中的點也越來越集中在直線附近，哈勃定律終于被大量實驗觀測所確認。