今天我們要開始進入《宇宙學新知》系列最後一個專題，也是大家很好奇的暗能量。要把暗能量到底是什麼給你解釋清楚，我必須要從愛因斯坦提出廣義相對論的那個時代講起。
愛因斯坦在 1915 年提出了著名的廣義相對論，這個理論如果用數學語言來表達，就是一個數學方程式，我們把它稱為愛因斯坦場方程。
如果要用一句話來通俗地講什麼是廣義相對論，可以這樣說：萬有引力的本質是時空的彎曲。舉個例子來說，如果小朋友問：地球為什麼繞著太陽轉呢？
因為太陽和地球之間存在萬有引力，就像一根線牽著地球，太陽把地球甩起來了，所以地球就會繞著太陽運動。
那是因為太陽周圍的時空是扭曲的，就好比平坦的表面上有個巨大的坑，地球就是沿著這個坑壁不停地轉圈圈，速度剛剛好，既不能飛出這個大坑，也不至於掉進坑底。我們在地球上受到的重力也是時空彎曲效應的體現，踢向天空的足球最後總是會掉回地面，就是因為足球在彎曲的時空中運動。只要速度不夠快，轉一圈又會回來。
其實這是因為愛因斯坦發明了一套簡便的數學符號，把一大堆方程組寫成了 3 個字母，所以看起來才顯得非常簡潔。其實攤開了以後是個非常複雜的方程組，而且計算起來極其困難。方程的一邊代表系統的總質能，另一邊代表時空的形狀。換句話說，廣義相對論就是告訴我們質量加能量決定時空的形狀，它們之間有嚴格的數學關係。所以，著名物理學家惠勒總結廣義相對論時，說了這樣一句名言，他說：物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。
愛因斯坦認為，宇宙裡的物質是均勻分佈的，上下左右各個方向都沒什麼區別。當時的天文觀測的確是支援他的想法的。有了這個前提條件，就可以用場方程來整體計算宇宙了。但令愛因斯坦自己也沒想到的是，它計算出了一個動態的宇宙。
The biggest mistake of my life
什麼叫做動態的宇宙呢？就是說，從整體上來講，宇宙不可能保持靜止，要麼就在整體膨脹，要麼就在整體縮小，就好比整條河都在流動，小船即便什麼都不做，也無法靜止在原地。
宇宙怎麼可能是動態的呢？愛因斯坦總覺得不對勁。宇宙整體上應該是保持靜止的，一定是自己的方程式少掉了什麼，於是他一抬手就加入了一個宇宙常數 Λ （拉姆達），這個常數加進去以後就相當於是添加了一種排斥效應。
假如數值合適，就可以讓宇宙保持靜止，不再變化。當時，像愛因斯坦這樣用場方程來計算宇宙的人還不在少數。俄國人弗裡德曼也計算出了和愛因斯坦類似的結果。
宇宙常數 Λ （拉姆達）
只是弗裡德曼比愛因斯坦的膽子大，他欣然接受了動態宇宙這樣一個貌似很不合理的結論，但是愛因斯坦不同意他的理論。愛因斯坦認為，宇宙學常數已經解決了這個問題。哪知道，沒多久，比利時的神父勒梅特發現，即便帶上宇宙常數，算出來的宇宙依然是動態的。
到了 1929 年，哈勃發現了宇宙中遙遠的星系都在遠離我們，而且距離越遠的星系跑得越快，這說明什麼呢？這說明宇宙在膨脹。
宇宙正在膨脹
科學家們總是喜歡用氣球來打比方。一個氣球，你在表面塗上一些點。當氣球被吹大的時候，所有的點都在彼此遠離。但是氣球表面是沒有中心點的，你站在每一個點上都會看到其他的點在遠離你，而且是遠處的跑得快，近處的跑得慢。哈勃在望遠鏡裡也看到了這樣的現象。這個現象用宇宙整體膨脹是最合理的一種解釋。
氣球是說明宇宙膨脹的經典比喻
愛因斯坦得知這個訊息，他當然是非常後悔，原來宇宙真的在膨脹，宇宙真的是動態的。他覺得自己犯了一個一生中最大的錯誤，那就是添加了一個其實毫無必要的宇宙常數。
為什麼這是一個錯誤呢？因為他在新增這個常數的時候是沒有任何理由的，僅僅是為了滿足他對宇宙的一個固有觀念。從這個角度來講，他的確是犯了一個錯誤。但是在他去世 40 年之後，天文學界的一個驚人發現卻讓這個宇宙常數又被後人翻出來賦予了別的含義。不得不承認，大師就是大師，犯錯誤都能歪打正著。如果愛因斯坦地下有知，不知作何感想。
Are galaxies moving away from us?
這個驚人的發現來自於兩隊獨立的天文學家對遙遠星系的距離和退行速度的測量，星系的退行速度可以透過測量星系發出的光的光譜來測量。
當年牛頓用三稜鏡把太陽光分解成了彩虹的顏色，後來大家又發現在太陽的光譜裡面有很多細細的黑線，這一連串的黑線就像條形碼一樣，但是沒人知道這些線條代表什麼含義。
光譜線
後來大家才搞懂，原來這些細線是和各種化學元素有關係的。我們透過識別這些條形碼，就能知道太陽上有什麼元素。比如說氦元素就是首先從太陽上發現的。於是這些黑色的線條就被稱為“吸收譜線”，簡稱“光譜線”。
氫（上）和氦（下）的光譜線
很快，大家就發現，光譜線會出現整體性偏移。特別是那些遙遠的天體。這說明天體發光頻率整體發生了改變。光譜線向紅色那一端偏移就稱為紅移，往藍色那一端偏移稱為藍移。哈勃第一個發現，大部分天體普遍出現紅移現象。所以也叫宇宙學紅移。
紅移現象圖示：光譜線向紅色那一端偏移
宇宙學紅移代表什麼含義呢？代表著光的頻率整體降低。哈勃當時認為這是由多普勒效應造成的。什麼是多普勒效應呢？當一輛汽車按著喇叭向你飛馳而來的時候，音調變高。從你身邊飛馳而過的時候，又變成了音調降低。音調的變化幅度與速度直接相關，我們可以根據音調來計算相對運動速度。光也是一種電磁波，也有多普勒效應。哈勃認為紅移就代表著天體逃離我們的速度。紅移越大，速度越快。
多普勒效應圖示：當一輛汽車按著喇叭向你飛馳而來的時候，音調變高
不過這裡我想插入一個冷知識，儘管大多數科普書在講到星系的紅移時，都會用多普勒效應解釋，但其實，如果要較真的話，這個解釋是錯誤的。
造成光譜紅移的原因並不是只有多普勒效應一種，宇宙整體膨脹也會導致星系紅移現象。就好像你把在一根牛皮筋上標幾個點，然後把牛皮筋拉長，你會看到點與點之間的距離全部增大了。你把這根牛皮筋想象成宇宙，而這些點的間距就是光波的波長，你就理解了為什麼宇宙膨脹，波長會增大。宇宙的膨脹導致了光波被拉長，因此頻率降低，顏色變紅。
但不管原理是什麼，光譜的紅移量就像一個速度表，標誌著天體與我們之間，空間尺度拉大的速度。而這又跟讓愛因斯坦錯誤“歪打正著”的驚人發現有什麼關係？我們下期再聊。
