1700916772
后来，终于出现了一个人，有信心聆听爱因斯坦方程中的低吟。这个人就是俄罗斯物理学家、数学家亚历山大·弗里德曼。他计算出了最一般情况下的均质宇宙解，发现了一个令人震惊的事实——绝大部分解都不是静止的，而是随着时间而变化！爱因斯坦的静止宇宙不但只是一个特例，而且本身也不稳定，不能保持很长时间。正如牛顿证明太阳系的自然状态就是永恒运动一样（比如地球和月球不可能永远保持静止），弗里德曼的研究揭露出，宇宙的自然状态也是永恒运动的。
1700916773
1700916774
然而，究竟是怎样的运动呢？弗里德曼发现，在所有的可能性中，宇宙最自然的状态有两种——不是在膨胀，就是在收缩。如果宇宙在膨胀，这意味着所有分开的物体都在相互远离，就像正在膨胀的麦芬蛋糕顶上的巧克力片一样（见图2-2）。如果这是真的，它们过去的距离一定比现在更近。实际上，在弗里德曼关于膨胀宇宙的最简解中，过去确实存在一个时间点，那时，我们今天所看到的万物都位于同一个地方，因此拥有无限大的密度。换句话说，我们的宇宙有一个开端，在无限的密度中发生了一场灾难式的爆炸——宇宙大爆炸。
1700916775
1700916776
弗里德曼的大爆炸理论是一记振聋发聩却沉默无语的惊雷。虽然他的论文发表在了德国最有威望的物理学期刊上，连爱因斯坦等人都对其进行了讨论，但却被大多数人忽略了，并最终被埋没，对当时的主流物理世界观没有产生任何影响。忽视伟大的见解，是宇宙学的传统（其实在整个科学界都这样）——正如我们前面说到的阿里斯塔克斯日心说、布鲁诺的遥远太阳系一样。在后面的章节中，我们还将遇到很多这样的例子。
1700916777
1700916778
1700916779
1700916780
1700916781
图2-2 遥远的星系相互远离，就像正在膨胀的麦芬蛋糕顶上的巧克力片（左图）——在它们中的每一颗看来，其他巧克力都在后退，速度与距离成比例。但是，如果只有空间在膨胀，像蛋糕的面饼一样，那么星系和空间之间就没有相对运动，空间把所有的距离都均匀地拉大（右图），就像把尺子上的刻度单位从毫米改成了厘米一样。
1700916782
1700916783
我认为弗里德曼被学术界忽视的一大原因是，他超越了他所处的时代——1922年的宇宙观仅限于银河系（实际上，也只是银河系中能被我们看到的有限部分），而银河系并没有膨胀，数以千亿的恒星被万有引力束缚在轨道上，那宇宙膨胀也无从说起。这正好能回答第1章开头提出的问题9：“银河系在膨胀吗”。弗里德曼的膨胀理论只适用在极大的尺度。在这个尺度上，可以完全忽略物质碰撞形成星系和星系团的过程。在前文图1-2中可以看到，在极大的尺度上（比如1亿光年的尺度），星系的分布变得相当均匀，暗示着弗里德曼的均质宇宙是适用的，并且所有距离遥远的星系都在相互远离。但正如我们之前所讨论的，那时候哈勃还没有发现其他星系呢，他到1925年才建立起有关星系的理论，而那是在弗里德曼发表膨胀宇宙理论的3年之后！真正到了3年之后，弗里德曼的机会终于来了。然而不幸的是，正是在这一年，伤寒夺去了他年仅37岁的生命。
1700916784
1700916785
我认为，弗里德曼是宇宙学历史上最伟大的无名英雄。写到这里，我忍不住把他1922年的论文翻出来读了一遍。论文最后，他举了一个例子，例子中的宇宙质量为太阳的5亿兆倍。据此，他计算出这个宇宙的寿命约为100亿年——竟和我们宇宙的年龄差不多！此时，距离人们发现其他星系还有好几年，不知弗里德曼从哪里得到的这些数字。但对一篇伟大的论文来说，这个结尾再合适不过了。
1700916786
1700916787
我们的宇宙正在疯狂膨胀
1700916788
1700916789
5年后，历史再次重演。一位MIT的研究生，同时也是比利时神父的天体物理学家乔治·勒梅特（Georges Lema tre），再一次发表了大爆炸理论。但是他并不知道弗里德曼已经发表过这个理论，于是“重新”发表了一次。结果，它再一次被学术界忽视了。
1700916790
1700916791
最终让大爆炸理论引起人们注意的不是一个新研究，而是一次新观测。埃德温·哈勃发现系外星系后，人们很自然地想测出它们在空间中的分布和运动情况。我在前面章节里提到过，物体朝我们而来或离我们而去的速度通常很容易测量，因为这种运动会导致它的光谱线发生移动。彩虹中，频率最低的是红光，所以，如果星系正在离我们远去，它的所有光谱线将发生红移，也就是向红色的一端移动。远去的速度越快，红移的程度越高。如果星系正在朝我们而来，它将发生蓝移，光谱线移向蓝色的一端。
1700916792
1700916793
假如漫天的星系只是在随机地乱动，我们会发现，一半星系在红移，另一半在蓝移。但令人吃惊的是，哈勃发现，几乎所有的星系都在红移。为什么它们全都离我们而去呢？难道它们不喜欢我们吗？是我们说了什么不好的话吗？不仅如此，哈勃还发现，星系与我们的距离（d）越远，远离我们的速度（v）就越快，并遵循下面这个公式：
1700916794
1700916795
v=Hd
1700916796
1700916797
这个公式被我们称为“哈勃定律”，其中的H是一个常数，被称为“哈勃常数”。在哈勃1929年发表的学术论文中，这个常数用一个谦逊的字母“K”表示。有趣的是，乔治·勒梅特在那篇被忽视的论文中，也预测过膨胀宇宙会出现类似的现象——如果一切都在膨胀，一切都在相互远离，那越远的星系就远离得越快。
1700916798
1700916799
如果一个星系正在远离我们，它过去一定与我们十分靠近。但那又是多久以前呢？如果银行抢劫犯跳上一辆车，逃离犯罪现场，你只需要用距离除以车的速度，就能判断出抢劫发生的时间。如果我们用同样的方法计算后退的星系，根据哈勃定律，每个星系的“案发时间”都是d/v=1/H！用现代观测方法，我们知道1/H≈140亿年。所以，哈勃的发现意味着在140亿年前的某一刻，发生了一件相当不同凡响的事——大量物质挤成一堆，密度高得不得了。但是，正如车速不是一成不变的一样，宇宙的膨胀也可能有快有慢。考虑到这个，我们需要对结论进行修正。今天，我们用弗里德曼方程和现代观测方法发现，需要修正的幅度非常小，只占一点点比例——原来，大爆炸之后，我们的宇宙用了一半的时间来减速膨胀，又用了一半的时间来加速膨胀，所以误差就被抵消了。
1700916800
1700916801
想要扩张，就得从别处抢
1700916802
1700916803
哈勃的观测结果公布以后，连爱因斯坦都心服口服。现在，宇宙膨胀已是被广泛接受的事实。可是，宇宙膨胀意味着什么呢？现在，我们准备回答第1章开头时提出的其中4个问题。
1700916804
1700916805
首先看问题8：星系是真的在远离我们，还是仅仅只是空间在膨胀？为方便起见，爱因斯坦的广义相对论认为这两个观点是等价的，因为它们描述宇宙时同样有效（见图2-2），所以你可以自由选择更加符合你直觉的那一个[4]。第一种观点（见图2-2左图）认为，空间并没有变化，只是星系相对于空间在运动，就像烤麦芬蛋糕时，由于你在黄油中加入了发酵粉，所以麦芬蛋糕会膨胀，导致上面的巧克力片相互远离。和巧克力片一样，所有的星系也都在相互远离，并且距离越远的星系，相互远离的速度就越快。尤其是，如果你站在其中一颗巧克力片（或星系）上，你就能感受到其他巧克力片（或星系）与你之间的相对运动符合哈勃定律——它们后退着，两倍远的星系的退行速度也翻一倍。值得注意的是，不管你站在哪颗巧克力片（或星系）上，结果都是一样的。所以，如果星系在空间中的分布无穷无尽，那宇宙膨胀就没有一个中心点——因为无论从哪里看，它都是一样的。
1700916806
1700916807
而从第二种观点来看，空间很像麦芬蛋糕的面团——面团会膨胀，但巧克力片与面团之间没有发生相对运动。同样，第二种观点认为星系与空间之间也没有发生相对运动。星系在空间中的位置是稳定的（见图2-2右图），但它们之间的距离却被改写了。这就好像星系间存在一把假想的尺子，空间膨胀后，尺子上的刻度单位必须擦掉重写，如果把刻度由毫米改成厘米，那所有星系之间的距离都是以前的10倍。
1700916808
1700916809
这又回答了第1章开头的问题7：星系的退行速度比光速还快，这不违背相对论吗？哈勃定律v=Hd告诉我们，当星系远在c/H≈140亿光年外时，它的退行速度将超过光速c，而我们没有理由怀疑这些星系的存在。这与爱因斯坦在相对论中所说的“没有物体的速度能超过光速”相违背吗？答案是肯定的，但同时也是否定的——它确实违背了爱因斯坦发表于1905年的狭义相对论，但并不违背他发表于1915年的广义相对论，而后者才是爱因斯坦对这个问题的最后结论。所以，不用太担心。广义相对论解放了速度的上限；狭义相对论认为，无论在什么情况下，两个物体之间的相对速度都不可能超过光速。但在广义相对论中，只有两个物体位于同一地方时，相对速度才不可能超过光速——与之不同的是，那些相对我们做超光速运动的星系都位于非常遥远的地方。所以，如果考虑到空间的膨胀，那我们就需要重新表述一下——任何物体都不能相对空间做超光速运动，但空间本身可以被随意拉伸，不管多快都行。
1700916810
1700916811
说到遥远的星系，我曾在报纸上读到过，有些星系距离我们有300亿光年远。第1章开头的问题6：如果宇宙的年龄只有140亿年，那我们如何能看到300亿光年远的东西？它们的光线是怎么到达我们的？此外，我们刚刚知道它们正以超光速的速度后退，这样一来就更不可能看见它们了。答案是，我们看见的并不是它们现在的样子，而是它们发出这些光线的时候。正如我们看见的太阳是8分钟以前的太阳一样，我们看见的遥远星系也是它在130亿年前的样子，它的位置也是130亿年前的位置——那时它与地球的距离比现在近8倍！所以，这个星系发出的光线根本不需要在空间中旅行130亿光年才到达地球，因为宇宙膨胀造成了这个差别——这就好像你在自动扶梯上只走了一步，但实际上已经移动了20米。
1700916812
1700916813
一切都是演化的造物
1700916814
1700916815
在星系都离我们远去的遥远地方，空间会不会因为膨胀而挤在一起，发生宇宙大撞车？不用担心。如果宇宙的膨胀遵循弗里德曼方程，就不会发生这样的事故。如图2-2所示，不管从哪个方向看过去，空间膨胀都是完全一样的，所以不会出现这种碰撞点。如果你赞同“遥远星系相对一个静止的空间在后退”的观点，那它们就不会和更遥远的星系相撞，因为那些星系比它们后退得更快——福特T型车永远无法追尾飞驰的保时捷。如果你赞同“空间在膨胀”的观点，那答案很简单——体积是不守恒的。读一读中东局势，你就会习惯这样的观点：想要扩张自己的地盘，就得从别人那里抢。然而，广义相对论的结论却与之不同——在星系间的区域中，可以创生出更多的空间，而不用挤占其他空间。新的空间会乖乖地待在原来这些星系之间（见图2-2右图）。
1700916816
1700916817
宇宙大讲堂
1700916818
1700916819
尽管宇宙暴胀理论听起来很疯狂，并且违背直觉，但它不仅符合逻辑，而且与天文观测相吻合。实际上，自埃德温·哈勃的时代以来，我们已经累积了相当多的观测证据，这要感谢现代观测技术和我们接下来要讨论的新发现。最基本的结论是，宇宙本身在不停地改变。当我们回望数十亿年前，你会发现一个膨胀得不是很厉害的宇宙，因此它也相当致密和拥挤。这表明，我们所栖身的空间并不是一成不变、像欧几里得的定理一样那般枯燥。相反，它是一个动态演进的空间，甚至曾经有过“童年时代”——它诞生在大约140亿年前。
1700916820
1700916821
如今，望远镜技术已经非常先进，让我们能直接看到宇宙的演化。