第二种宇宙：德西特的无物质动态宇宙

我对宇宙非常感兴趣——我专门研究宇宙，以及围绕着它的一切。

——彼得·库克（Peter Cook）

下一个追寻爱因斯坦宇宙方程的人是荷兰著名天文学家威廉·德西特（Willem de Sitter，1872—1934）。他利用了荷兰战时的中立国身份结识了爱因斯坦并与其保持通信，［15］他还与英国著名天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）在科学上保持着密切的联系。爱丁顿组织了1917年英国皇家天文学会的一场月度会议，就在这场会议的第三场讲座上，德西特宣布自己发现了爱因斯坦方程一个新的解。［16］

德西特保留了爱因斯坦引入的斥力，但他决定假设宇宙中的物质总密度为零。当然，真实的宇宙肯定不是空的，但德西特假设宇宙的密度非常低，以至于引力产生的效应与爱因斯坦的“Λ斥力”相比完全不值一提（Λ之所以被称为“Λ斥力”，是因为爱因斯坦用希腊字母Λ来表示它）。和爱因斯坦的宇宙不一样的是，德西特的宇宙用欧氏几何来表示，并且其范围是有限的。

尽管德西特的宇宙（作为爱因斯坦方程的一个解）很容易理解，但想要解释它可没那么容易。在德西特的宇宙中，远处物体发出的光波长会变长，因此远处的物体看起来会变红，而离我们越远的物体波长延长的效应就越明显，这被称为“德西特效应”。1912年，美国天文学家维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）发现，从一个遥远星云（现在我们称之为星系）发出的光波长发生了显著的偏移，5年后，他又报道了20多个其他星系的类似红移观测结果，但他无法解释这些现象。而德西特的最新发现则表明，正是爱因斯坦方程的解产生了这一现象。为什么会红移呢？对德西特宇宙的进一步研究揭示了原因：德西特的宇宙正在不断膨胀。如果你在这个宇宙中的任意两个点做上标记，你会发现它们之间的距离会随着时间的推移呈指数式扩大（见图3.3），它们之间的距离随着时间的流逝不断地加速增大。

在这类膨胀的宇宙中，“德西特效应”可以得到简单的解释：当光从一颗向着我们后退的恒星发出来时，它们的波长就被“拉伸”，我们接收到的它的频率就降低了——所有波都会发生这种现象，其中最典型的就是声波和光波。如果一个声波波源逐渐接近我们，它的音调听起来就会变高，远离我们时则会变低。而光源逐渐接近我们时，它看起来会变蓝，反之则会变红。这种现象叫作“多普勒效应”（Doppler Effect），是由奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒（Christian Doppler）于1842年在尝试解释移动的恒星为何呈现出不同颜色［17］的过程中发现的。不过，声波的多普勒效应对我们而言更为熟悉。想象一下半夜三点从你卧室窗外一路狂飙过去的摩托车，它发出的声音是不是类似于“咦——哟”？刚开始它不断接近你时，引擎的音调越来越高（咦），而经过你之后，声波波源就开始不断远离你，你听到的声音频率不断降低，音调也变低（哟）。

图3.3　德西特的加速膨胀宇宙。该宇宙中两个自由粒子之间的距离会随着时间流逝而呈指数式扩大。

斯里弗观测到的现象也可以解释为：我们所在的星系一侧的恒星在远离我们而去，而另一侧的恒星在向我们而来（即我们所在的星系正在宇宙中向一个方向漂移）。当然，斯里弗观察到的也有可能的确是偶然漂过的一些恒星，从一侧过来，又向另一侧漂过去。但后来，越来越多的观测结果表明，不管是我们星系的这一侧还是那一侧，恒星都在远离我们而去。斯里弗仍然坚持用漂移假说来解释红移——不管怎么样，在他的时代，让他（或者其他任何人）想到整个宇宙可能在膨胀，甚至只是想一想这可能意味着什么，都太强人所难了。

德西特算出来的这个结果的确描述了一个整个空间都在膨胀的宇宙，其中的膨胀加速度来自爱因斯坦新加入的Λ斥力。然而，没有人想到把它同斯里弗1917年的观测结果结合起来，甚至德西特本人也没有想到。没有人知道斯里弗观测到的漂移的“星云”距离我们有多远，大家都觉得这可能只是局部的运动，而非整个宇宙大尺度的、系统的膨胀。德西特本人不愿意从斯里弗的观测中得出任何强有力的结论。他已经找到了第一个膨胀的宇宙，但它还被重重谜团包裹着，距离它的奥秘被完全揭开还有一阵子呢。

事实证明，德西特的宇宙对我们如今对宇宙的了解至关重要。德西特的宇宙一直在不停地膨胀，变大再变大，它并没有一个开端或者终结。如果你把时光倒回，你的确会看到它不断缩小，但也不会达到大小为零的状态。因此，从表面上看，他的宇宙并不存在大小为零、密度无穷大的起点。这个宇宙的膨胀速率是个常数，永恒不变。如果你掉进这个宇宙中，你没有任何办法判断时间：你所观察到的一切事物都是永恒不变的。在德西特的宇宙中，历史无足轻重。