上節(jié)課我們說了勒梅特在1927年就提出宇宙在膨脹，1929年哈勃就測量出了星系的距離和紅移之間的關(guān)系，證實了勒梅特的說法。

這里需要注意的是，星系在遠(yuǎn)離我們，并不是因為星系相對于空間的運(yùn)動造成的，而是星系和星系之間的空間發(fā)生了膨脹，星系相對于空間并沒有動，但空間的膨脹也會導(dǎo)致我們看到的星系在遠(yuǎn)離我們。

那么空間是怎樣膨脹的？對于理解這個問題，愛丁頓曾經(jīng)就舉了一個非常形象的例子，這個例子到現(xiàn)在依舊是用來科普最好的說法了。

就是說，在一個氣球上粘一些硬幣，現(xiàn)在我們慢慢地把氣球吹大，在氣球膨脹的過程中，硬幣之間的距離會不斷地擴(kuò)大，但是硬幣并沒有相對于氣球表面在移動。

而且不管從哪個硬幣的視角看，都滿足哈勃膨脹定律，距離越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離的速度越快。這確實是一個非常好的例子，但是這個例子的缺陷是，把三維空間的膨脹類比到了二維空間上了。

所以我這里還有一個三維空間的類比，一個揉好的面團(tuán)，在面團(tuán)里面均勻地放上葡萄干，現(xiàn)在把這個面團(tuán)放進(jìn)烤箱里，這就是我們烤面包，蒸饃的過程。

那么隨著面團(tuán)的膨脹，雖然里面的葡萄干相對于面團(tuán)沒有移動，但它們之間的距離卻增大了，也滿足哈勃的膨脹定律。

不過在面團(tuán)這個類比中也有缺陷，因為面團(tuán)這個宇宙它有中心，而且有邊界，所以它不是一個各向同性的宇宙，而我們真實的宇宙是沒有中心和邊界的，這跟氣球表面的那個類比一樣，你看，在氣球的表面上，它沒有中心，也沒有邊界，但大小有限，這一點很符合我們真實的宇宙。

所以這兩個類比各有各的優(yōu)點，但都不完美，不過它倆結(jié)合起來應(yīng)該能讓你了解我們的宇宙是怎樣膨脹的。

自從人們確定了宇宙在膨脹以后，就開始了對宇宙的未來和過去的思考。如果往未來看，空間的膨脹勢必會讓物質(zhì)之間的距離越來越遠(yuǎn)，這就會造成宇宙的能量密度會越來越低。

膨脹的空間還會不斷地拉長其中輻射粒子的波長，這就會造成宇宙的溫度會越來越低，所以當(dāng)時人們就想，一個膨脹的宇宙會給我們帶來怎樣的結(jié)局？

不難想象，在宇宙膨脹的過程中，有兩種力在互相拉扯、對抗，其中一個就是宇宙的膨脹率，另外一個就是宇宙中物質(zhì)之間的引力，它一直在對抗著宇宙的膨脹。

所以總的來說，我們的宇宙從誕生以后，一直都處在減速膨脹的過程中，雖然是減速膨脹，但依舊有三種可能的結(jié)局：

第一種，雖然引力一直減慢宇宙的膨脹率，但是由于物質(zhì)和能量的密度不夠，且在不斷地下降，引力只能在小尺度上把物質(zhì)束縛在一起，比如形成星系、星系團(tuán)這些結(jié)構(gòu)，但在更大的尺度上，引力并不能把整個宇宙的膨脹率降到0，或者是變?yōu)樨?fù)數(shù)，整個宇宙的膨脹率依然會以一個不為零的正數(shù)，勻速的一直膨脹下去。這樣的結(jié)局會導(dǎo)致，宇宙的物質(zhì)越來越稀疏，溫度越來越低，所以稱為大凍結(jié)，在熱力學(xué)上，也叫熱寂。

第二種情況正好就跟第一種情況相反了，引力不僅能在小尺度上起作用，一直在大尺度上也具有掌控力，整個宇宙會在膨脹率的作用下達(dá)到一個最大的體積，然后引力回將膨脹率降為零，并且會逆轉(zhuǎn)膨脹，使得整個宇宙開始坍縮，最終整個宇宙會回到那個大爆炸的起點。這種情況稱為大坍縮。

第三種情況就比較有意思了，它處在了第一種和第二種的中間狀態(tài)，引力和膨脹率誰都沒有獲勝，他們完美地達(dá)到了一種平衡狀態(tài)，引力不會讓膨脹率降到零，而是會無限的趨近于零，宇宙的大小會達(dá)到一個最大值，它不會在變大，也不會在變小。

以上的三種可能是人們在上世紀(jì)的30年代，根據(jù)宇宙膨脹的觀測結(jié)果，和愛因斯坦的廣義相對論所推導(dǎo)出來的三種可能的宇宙結(jié)局，都是基于宇宙在減速膨脹所推導(dǎo)的結(jié)果。

但后來人們發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹，那就是另外一回事了，后面我們說暗能量的時候會詳細(xì)地說。

根據(jù)宇宙的膨脹人們在考慮了宇宙的未來以后，肯定就要思考宇宙的過去了，如果把這個問題交給你，你肯定也能夠想到，現(xiàn)在宇宙在變大，在過去宇宙肯定會更小。

那么問題是，宇宙在變小的時候，其中的物質(zhì)和輻射會發(fā)生啥變化？

首先，能夠想到的是，如果物質(zhì)和輻射的總量沒有變化的話，那么宇宙體積的減小，物質(zhì)和輻射的密度就會增加，也就是今天宇宙中所有的東西會挨得更近。

但是輻射的性質(zhì)更加奇妙，我們知道物質(zhì)能量來自于它所含的質(zhì)量，這是不會變化的，可輻射沒有質(zhì)量，它的能量取決于它的波長，波長越小能量越大，波長越長能量越小。

那么在宇宙不斷變小的時候，輻射除了密度會增加以外，它的波長也會縮短，比如說，如果宇宙的尺度縮小到今天一半的時候，物質(zhì)和輻射的密度會增加到今天的8倍，除此之外，光子的波長就會變?yōu)榻裉斓?/2，那它所攜帶的能量會增加2倍，再加上光子密度的增加，那么光子的總能量會比現(xiàn)在高16倍。

這種指數(shù)增長非常快，如果我們不斷地往回追溯的話，光子的能量會越來越高，能量高意味著啥？意味著溫度會越來越高，那么根據(jù)宇宙膨脹的反推，我們就能知道宇宙早期就是一個密度極高、溫度極高、體積極小的狀態(tài)。

那么現(xiàn)在我們知道了宇宙早期的狀態(tài)，這對我們了解宇宙起源，物質(zhì)形成有何幫助呢？這就是我們下節(jié)課的內(nèi)容，物理學(xué)家伽莫夫首次為我們描述了宇宙早期的創(chuàng)世時刻，它預(yù)言了大爆炸核合成以及微波背景輻射的存在。

這兩個預(yù)言和宇宙膨脹，最后也就成為宇宙大爆炸理論的三大基礎(chǔ)。