无限时空－－谈谈宇宙学的科普和一些常见的误解（5）

我这个系列的前几篇，颇引起了一些网友的讨论，我没有予以答复。这主要是因为，我这篇文章早已写好，只是依次发到博客上而已（文章很长，分多次发可让有兴趣的读者慢慢思考），很多最常见的误解造成的疑问（基本上所有评论中出现的对大爆炸理论的质疑都属此类），后面自然会谈到，大家看下去就明白了。

本文全文发表在《中国国家天文》2008年第8期，请勿转载

5。膨胀，常见的误导模式

爱因斯坦提出他的静止宇宙模型后，有几位研究者考虑了其他的可能性。比如，德西特(de Sitter)研究了只有宇宙学常数而没有普通物质的宇宙模型，弗里德曼(Friedmann)研究了没有宇宙学常数而只有物质的宇宙模型，勒梅特(Lemaitre)研究了宇宙学常数和物质不是正好象爱因斯坦模型里那样达到平衡的情况。他们都发现，在这些情况下，宇宙不会是静止的，而是处在膨胀或收缩中。

怎样理解宇宙的膨胀或收缩呢？这应该理解为空间的整体膨胀或收缩。这还是比较抽象。在科普书籍中最常见的形象解释，是沿用上面介绍爱因斯坦宇宙理论的办法，用一个二维的球面代表宇宙的三维空间。然后这个球面象气球一样膨胀。如果在气球上用笔点几个点代表星系，就会看到随着气球的膨胀，这几个点彼此的距离会增大，代表星系彼此远离。反之，收缩的时候这些点的距离会减小。这个类比还可以说明一个问题：在球面上并没有哪个点是特殊的（在地球表面有两个点是特殊的，即南极和北极，那是地球旋转的中心，如果地球不旋转，就无所谓哪里是南极，哪里是北极了，每个点都是平等的）。以每个点为中心看去，别的点都在离之远去，因此可以说每个点都是中心。

这个类比很生动、形象，被几乎所有的科普书所采用，但它也有缺点，那就是它给人一种印象，似乎宇宙一定是有限的，宇宙的膨胀是由于宇宙有限，而且它也给人们一种印象，即如果一直向上追溯，整个宇宙就一定会缩成一个点。这其实是一种误解。

实际上，并不是只有封闭空间可以膨胀，开放和平直空间同样可以膨胀，但这当然不是很直观，需要人们有一点想象力。假定我们面前的电脑屏幕上显示了一幅画面，如果我们想看清画面的细节，我们可以用键盘或鼠标选择放大，这时画面就放大了，这种放大就有点类似宇宙膨胀。当然这样一来，原来有些在电脑屏幕上显示的部分就无法显示了，但我们可以想象它们在可见屏幕“之外”。如果我们把不同的放大率的图像连起来成为动画，就有点类似看到的空间的膨胀。因此，在前不久我参与制作的中央电视台科普纪录片《宇宙大爆炸》中，我特意要求制作了平直空间膨胀的图象。在这种膨胀中，同样每个点都是中心。

实际上，如后文所述，近年来的观测表明可观测宇宙的几何是平直的。但是由于上述气球例子给人造成的误解，这个消息对不少人来说是大吃一惊，下面是我的一位朋友的风趣表白：

我怀着强烈的愤慨，对天文学家们不负责任的忽悠行为进行最严厉的血泪控诉。想当年，像广大劳动人民一样，本人根据朴素的阶级直觉，认为宇宙是平直的，无限的。但是天文学家们说宇宙在时间上和空间上是有限的，起源于一次大爆炸，膨胀到现在的大小就是宇宙的大小。至于边缘是什么，天文学家们搬出二维球面这个例子，来说明什么是有限无界，让我们这样的劳动人民不但觉得自己渺小可怜得像被限制在二维球面的二维蚂蚁，还对能站在比我们高一维时空观察和思考的天文学家们崇拜到了极点。在自己觉得深刻领会了天文学家们的高深观点之后，为了提高广大劳动人民的理论认识，每次酒足饭饱之后，还义务当了好几回普及员。当讲到三维有限无界这一概念，看到大家惊讶的样子，心中充满了三维蚂蚁对二维蚂蚁的优越感，俨然觉得自己已经成为了一只三维半蚂蚁。当然还要装得很体谅二维蚂蚁的样子，心里想着这些可怜的二维动物哟，甚至都不知道自己是扁的（心里爆笑），然后很满意地摸摸自己三维球面的肚子。可是到了今天，天文学家们放了好多卫星，量了一下宇宙，说，宇宙是平直的。这这这这这。。。

关于宇宙膨胀还有一个常见的误解，就是以为一切东西，比如太阳系甚至地球，也跟着宇宙膨胀。实际上，宇宙膨胀是就宇宙整体而言。但是宇宙不是完全均匀的，在其中密度较高的地方，引力较强，膨胀会减速，密度越高，减速越快，最终膨胀会停止并转为收缩，物质会塌缩成一团，经过冷却收缩后形成我们今天看到的星系。在星系内，又会形成恒星和行星等。所以，现在我们生活的地球以及太阳系、银河系等并不跟着宇宙膨胀.

如前面所述，在上世纪二十年代， 由于未能摆脱千百年的思维习惯，爱因斯坦仍以为宇宙是静态的, 但多位理论家已经认识到膨胀宇宙的可能性。同时，推翻静态宇宙的观测证据也出现了。

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