，

在爱因斯坦的模型中，牛顿体系中的内在矛盾已经没有

了。当然，没有内在矛盾只是理论的正确­性­的一个必要条件，

而不是充分条件。重要的检验还是理论与观测之间的对比。

宇宙的膨胀

在爱因斯坦的第一个模型之后，陆续又有其它人提出了

一些模型。其中，弗里德曼和勒梅特前后得到了膨胀的宇宙模

型。所谓膨胀是指宇宙空间的尺度随时间而不断地在增大。

如果我们仍用二维的有限无边球面来类比三维的有限无边体

系，那么，一个膨胀的二维球，就如图

11-3所示那样地运动。

图

11-3在一个膨胀的球表面，任何两个圆点之间的距离都要越变越大

图中的小圆点表示球面上的物质。可见当球面膨胀时，

小圆点越来越稀。任何两个小圆点之间的距离都要越来越

大。如果我们想象一个观测者站在其中的一个小圆点上，他

就会发现，所有其它小圆点都在远离他而去。而且，与他距离

·124·

近的小圆点离去的慢一些，与他距离远的圆点离去的快一些。

距离越大，相互远离的速度也越大。

1929年美国天文学家哈勃发现，河外星系普遍都有红移

现象。红移就是光谱线的波长变长了（或频率降低了），如果

原来某种原子发­射­的一条谱线的波长为

λ0，那么，从河外星

系来的这种谱线波长

λ总要比

λ0大。通常用

z =λ

λ0

λ0 来

表示红移的大小。

z称为红移量。

从这种红移的特征看，它可能是由多普勒效应引起的。

所谓多普勒效应是指当光源相对于观测者有运动时，观测者

收到的谱线波长与光源静止时发­射­的谱线的波长有差别。如

图

11-4，一个光源

A向着观测者运动，另一个光源

B远离观

测者运动。如果两个光源

A和

B本身发­射­相同波长的光，波

图

11-4 多普勒效应

长是

λ0，那么观测者收到的光，波长都不相同。他看到

A光

源的波长

λA要比

λ0小，而

B光源的波长

λB要比

λ0大。通常

·125·

称

称而

B光源的波长红移了。相对速度

越大，红移或紫移越厉害。

采用多普勒效应的机制来解释河外星系的红移，那就表

示河外星系正在远离我们。哈勃还发现，河外星系红移量的

大小同其距离有关。距离越近的星系红移量越小，距离越远

图

11-5 距离越远的星系，远离我们的速度也越大

的星系红移量越大（见图

11-5）。这个­性­质通常叫做哈勃关

系。它是表示越远的星系远离我们的速度也越大。这一切都

符合膨胀宇宙的预言。

哈勃研究的星系，红移量还都比较小。都在

z < 0.003

的范围。哈勃之后的几十年来，已经发现了许多大红移的星

系。在目前已知星系中最大红移已经达到

z ～1。在这样

大的范围中哈勃关系仍然成立。至今观测的结果都符合膨胀

模型的预言。

·126·

宇宙膨胀观念彻底改变了宇宙学上一种传统的观念，就

是认为在“大”尺度上的天体，应当处在静态。换句话说，虽然

太阳，银河等“小”范围中的天体是有运动的。但是在一个更

“大”的尺度上看，天体系统的平均速度应当是零。形成这种

观念是有客观根源的，因为我们­肉­眼常见的天空景象，除了东

升西落之外，几乎看不见其它的变化。爱因斯坦也没有摆脱

这种传统观念的束缚。尽管按照他的引力场方程只能得到

运动的解的。但是由于他觉得大尺度的运动是不能接受的，所

以他甚至不惜修改引力场方程，以给出一个静态模型。红移现

象发现之后，他对他自己原来的做法深表后悔，本来宇宙膨胀

是他的广义相对论的一个自然结果，可是他却放弃了它们。

后来爱因斯坦曾说，这是他“一生中最大的错事”。

宇宙膨胀观念彻底改变了宇宙学上一种传统的观念，就

是认为在“大”尺度上的天体，应当处在静态。换句话说，虽然

太阳，银河等“小”范围中的天体是有运动的。但是在一个更

“大”的尺度上看，天体系统的平均速度应当是零。形成这种

观念是有客观根源的，因为我们­肉­眼常见的天空景象，除了东

升西落之外，几乎看不见其它的变化。爱因斯坦也没有摆脱

这种传统观念的束缚。尽管按照他的引力场方程只能得到

运动的解的。但是由于他觉得大尺度的运动是不能接受的，所

以他甚至不惜修改引力场方程，以给出一个静态模型。红移现

象发现之后，他对他自己原来的做法深表后悔，本来宇宙膨胀

是他的广义相对论的一个自然结果，可是他却放弃了它们。

后来爱因斯坦曾说，这是他“一生中最大的错事”。

如果宇宙是膨胀的。那么，昨天的宇宙应该比今天的宇

宙更小，物质也更密集一些。所以，在宇宙的早期，可能是一

种非常密集的状态。那时候物质密度非常之高，完全不同于

我们今天看到的星空世界。

沿着这条线索来研究宇宙中物­性­的演化历史，称为大爆

炸宇宙学。目前比较盛行的是热大爆炸宇宙学。

这一派的主要观点是，我们的宇宙曾有过一段从密到稀，

从热到冷的演化历史。具体地说，大约在一百多亿年前，开始

发生大爆炸过程。当时，宇宙间物质密度比原子核的密度还

·127·

要大，温度也极高，达到万亿度以上。爆炸初期宇宙间的物质

形式是各种各样的粒子，例如中子，质子，电子，光子，中微子，

μ子，π介子，超子等等。这些粒子不断地碰撞，并相互转化。

整个宇宙基本上处于热力学平衡之中。例如，电子与正电子

互相碰撞湮灭成一对

γ光子，同样

γ光子相互作用而产生一

对电子和正电子。这些过程在一秒钟内可能发生几十亿亿

次，但每一种反应都与相反的反应达到平衡。这是我们宇宙

的极早期。

这个极早期是非常短暂的，也许不到一分钟。由于整个

体系在不断地膨胀，温度迅速下降，宇宙演化进入了下一阶

段。在这个阶段中，中子开始失去自由存在的条件，中子要么

发生衰变，要么它与质子结合成重氢、氦等元素。宇宙中的化

学元素就是在这一时期才开始形成的。这一阶段的时间大约

是