今天我們要開始進(jìn)入《宇宙學(xué)新知》系列最后一個專題，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論的那個時代講起。

01 愛因斯坦場方程

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

如果要用一句話來通俗地講什么是廣義相對論，可以這樣說：萬有引力的本質(zhì)是時空的彎曲。舉個例子來說，如果小朋友問：地球為什么繞著太陽轉(zhuǎn)呢？

假如是牛頓，會這么回答：

因為太陽和地球之間存在萬有引力，就像一根線牽著地球，太陽把地球甩起來了，所以地球就會繞著太陽運(yùn)動。

但如果小朋友遇到了愛因斯坦，他會這么回答：

那是因為太陽周圍的時空是扭曲的，就好比平坦的表面上有個巨大的坑，地球就是沿著這個坑壁不停地轉(zhuǎn)圈圈，速度剛剛好，即不能飛出這個大坑，也不至于掉進(jìn)坑底。我們在地球上受到的重力也是時空彎曲效應(yīng)的體現(xiàn)，踢向天空的足球最后總是會掉回地面，就是因為足球在彎曲的時空中運(yùn)動。只要速度不夠快，轉(zhuǎn)一圈又會回來。

愛因斯坦的場方程看上去還挺簡潔的：

其實這是因為愛因斯坦發(fā)明了一套簡便的數(shù)學(xué)符號，把一大堆方程組寫成了 3 個字母，所以看起來才顯得非常簡潔。其實攤開了以后是個非常復(fù)雜的方程組，而且計算起來極其困難。方程的一邊代表系統(tǒng)的總質(zhì)能，另一邊代表時空的形狀。換句話說，廣義相對論就是告訴我們質(zhì)量加能量決定時空的形狀，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)廣義相對論時，說了這樣一句名言，他說：物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動。

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

02 一生中最大的錯誤

什么叫做動態(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，小船即便什么都不做，也無法靜止在原地。

宇宙怎么可能是動態(tài)的呢？愛因斯坦總覺得不對勁。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宇宙常數(shù) Λ （拉姆達(dá)），這個常數(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，像愛因斯坦這樣用場方程來計算宇宙的人還不在少數(shù)。俄國人弗里德曼也計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，他欣然接受了動態(tài)宇宙這樣一個貌似很不合理的結(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)解決了這個問題。哪知道，沒多久，比利時的神父勒梅特發(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。一個氣球，你在表面涂上一些點。當(dāng)氣球被吹大的時候，所有的點都在彼此遠(yuǎn)離。但是氣球表面是沒有中心點的，你站在每一個點上都會看到其他的點在遠(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，宇宙真的是動態(tài)的。他覺得自己犯了一個一生中最大的錯誤，那就是添加了一個其實毫無必要的宇宙常數(shù)。

為什么這是一個錯誤呢？因為他在添加這個常數(shù)的時候是沒有任何理由的，僅僅是為了滿足他對宇宙的一個固有觀念。從這個角度來講，他的確是犯了一個錯誤。但是在他去世 40 年之后，天文學(xué)界的一個驚人發(fā)現(xiàn)卻讓這個宇宙常數(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。

到底是一個什么樣的驚人發(fā)現(xiàn)呢？

03 星系在遠(yuǎn)離我們？

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

這里簡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候，音調(diào)變高。從你身邊飛馳而過的時候，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)來計算相對運(yùn)動速度。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候，音調(diào)變高

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

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)幾個點，然后把牛皮筋拉長，你會看到點與點之間的距離全部增大了。你把這跟牛皮筋想象成宇宙，而這些點的間距就是光波的波長，你就理解了為什么宇宙膨脹，波長會增大。宇宙的膨脹導(dǎo)致了光波被拉長，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誤“歪打正著”的驚人發(fā)現(xiàn)有什么關(guān)系？我們下期再聊。