第五十五章引力场方程

在二十世纪早期，天文学家对宇宙的认识还局限于银河系，认为这个宇宙是静态的，并且是永恒不变的。

当爱因斯坦将他的广义相对论引力场方程应用于宇宙学研究时，他心中的先验性假设宇宙是有限的。如果他认为宇宙是无限的，他还会将他的方程用于处理一个无限的对象吗？在无限宇宙的前提下，如果爱因斯坦的广义相对论引力场方程应用于宇宙的有限部分研究，得到的结果就会是相对合理的。

1916年，爱因斯坦在荷兰遇到德西特。在相互探讨中，两人分别得到各自对场方程的解。德西特的宇宙模型是稳定的，前提是其中不含有物质。德西特希望经过修改，其中可以含有密度接近零的物质。德西特宇宙模型有一个奇怪性质，离坐标中心越远，由那里发出的光线频率越低。

爱因斯坦的模型初始是静止的，之后，其中的物质会在引力作用下聚集到一起。爱因斯坦的场方程对于一个有限的系统，如同用牛顿力学体系一样，必然是向中心收缩。为了得到一个稳定的系统，爱因斯坦在方程中添加了一个常数项，使得到的解稳定。这样的解表示的宇宙既不膨胀，也不收缩。

1928年，哈勃在荷兰的一次会议上遇到德西特，两人谈到德西特的宇宙模型，哈勃决定验证德西特的宇宙模型是否正确。在哈勃1929年的论文中，哈勃推论说，他得到的速度-距离关系可能表示了银河系与河外星系间的相对运动。

哈勃的观测得到的原始结果是谱线的位移。位移量与谱线波长的比值是红移。当时，对于红移的解释是因为多普勒效应的作用。多普勒诠释认为由于光源与观测者的相对运动，使波长变长而导致红移。因此，红移的量用光源相对观测者的退行速度表示。

1842年，多普勒预言观测者与声源或光源的相对运动会引起波长的变化。1845年，多普勒效应在声学领域得道实验验证。在光学领域，1871年在对太阳的观测中得到证实，1901年在实验室被验证。此后，多普勒效应被用于密近双星的研究，之后，用于研究太阳在银河系内的运动。1920年，多普勒效应被用于研究银河系的转动。

因此，哈勃以光源的退行速度表示红移是基于思维的惯性。当时，对于红移的简洁解释只有多普勒效应。哈勃是沿着前人的思维方向，为河外星系的红移做出了解释。因此也导致了后人在这个方向继续前进，最终导致了大爆炸思想产生。

但是，不同的思考也在进行。兹威基（F. Zwicky 1898-1974）在哈勃的论文发表后的同一年，提出了光在传播过程中能量衰减导致红移的思想，而不认为红移是由于星系的退行造成的。

在哈勃做出他的发现之后，他对于红移解释的思考仍在进行。1936年，哈勃指出，“红移的惯用解释似乎导致一个又年轻又小的奇怪而可疑的宇宙。反之，那个熟悉的又不确定的概念中的宇宙，在时间与空间无限延展，相比可观测范围无限巨大的宇宙，似乎暗示着红移主要并不是由速度产生。”

在1930年于伦敦的一次皇家天文学会会议上，德西特承认他和爱因斯坦的场方程解都不能代表观测到的宇宙图像。然后，爱丁顿提出，为什么爱因斯坦场方程只有两个解，因为人们只是在寻找静态解。

①Cosmic Journey: A History of Scientific Cosmology, http://www.aip.org/history/cosmology/

②Endless, Boundless, Stable Universe,G. Reber, 1976

③The Observational Approach to Cosmology, E. Hubble, 1936