这个小实验有助于阐明宇宙膨胀的两个关键要素。现在我们把气球表面想象成时空,而墨点则代表星系。这样,当你吹起气球时,气球表面积的增加就像宇宙中时空的扩张。同时,在气球上也不存在特殊的点——从任何星系(点)出发的视角都是相同的——无论你身在何处,一切似乎都在远离你而去,且距离越远后退得越快。
这个气球实验虽然非常容易理解,但和实际宇宙相比,它还存在一定的局限性。首先,我们的气球表面实际上是向外膨胀的,它会进入更高的三维空间。但宇宙中却没有内外之分。时空——即气球的表面——就是所有的一切。
其次,宇宙的整体形状——至少在我们可以观察到的范围内——并不像气球表面那样弯曲,而是平坦的。因此,它就像一张无限大的橡胶膜(即我们的虫子世界),在各个方向上都被均匀地拉伸。
第三,也是非常重要的一点,实验中气球上的墨水斑点也在膨胀,但宇宙中的星系却并不膨胀。宇宙中的物体一旦拥有足够的质量,就会从整体膨胀中脱离出来。物质间的引力将战胜膨胀的影响,从而使太阳系和银河系保持原有的尺寸——行星间的空间不会膨胀(距离不改变),星系中恒星间的空间也不会。
消化这些概念可能需要一段时间,但却是绝对值得的。这些想法将是我们理解大爆炸理论和当前宇宙学的基础。
推动力的来源
那么,所有这一切与揭示宇宙的成分有什么关系呢?事实上,爱因斯坦方程能告诉我们时空膨胀的原理,并详细地指出膨胀将如何受到其内部物质和能量的影响。因此,如果我们可以追溯宇宙膨胀的历史,就可以重构出任意时刻的宇宙构成。
广义相对论所描述的引力并不是一个明察秋毫的法官。它既不能区分我们所讨论的不同物质——质子、灰尘、黑洞和暗物质都会被统一视为物质,也不能区分不同形态的辐射——微波、伽马射线和紫外线对引力的响应也都是相同的。按照对时空演化影响方式的不同,广义相对论把宇宙成分归纳为以下三类:
