信，宇宙是静态的，永恒的，而不是收缩和暂态的。因此爱因斯坦不喜
欢一个坍缩的宇宙的概念就不足为奇了：“认可这种可能性似乎毫无意
义。”
虽然艾萨克·牛顿的引力理论是不同的理论，但它也带给人们一个
崩溃的宇宙。对此牛顿也一直为他的这一理论暗示所困扰。他的一个解
决办法是设想一个无限大的、对称的宇宙，其中的每个对象因此将在所
有方向上受到同样的拉伸，这样就没有整体移动，也没有塌陷。不幸的
是，他很快意识到，这种精细平衡的宇宙将是不稳定的。一个无限大的
宇宙理论上可以处于一种平衡状态，但在实践中，在这种引力平衡下哪
怕存在最微弱的扰动，都会破坏这种平衡，并最终导致灾难。例如，一
颗彗星穿过太阳系，就会使它路过的空间的每个部分的质量密度暂时性
增大，而这种增大又会吸引更多的物质向这些区域聚集，从而引发总崩
溃。即使翻动一页书都将改变整个宇宙的平衡，只要时间足够长，从而
也将引发灾难性的崩溃。为了解决这个问题，牛顿认为，上帝会不时进
行干预，以便使恒星和其他天体保持分开。
爱因斯坦不准备认可上帝在保持宇宙分离上所起的作用，但同时他
又急于找到一种方法来维持一个永恒的和静态的宇宙以符合科学界的共
识。在重新审视了他的广义相对论之后，他发现了一个数学技巧，可将
宇宙从崩溃的边缘拯救回来。他看到，在他的引力公式中添加一个被称
为宇宙学常数的因子，整个公式同样管用。这个因子使虚空空间充满了
一种内在的压力，它将宇宙向四处推开。换句话说，宇宙学常数使整个
宇宙空间有了一种新的排斥力，它可以行之有效地抵御所有恒星的引
力。这是一种反引力，其强度取决于给出的常数的恒定值（理论上该常
数可以取任意值）。爱因斯坦意识到，通过仔细选择宇宙学常数的值，
他可以完全抵消传统的引力吸引，阻止宇宙坍缩。
关键是，这种反引力在巨大的宇宙距离上变得显著，而在较短的距
离上可以忽略不计。因此它并没有破坏广义相对论在相对较近的距离上
或在恒星尺度上已被证明了的成功的模拟引力的能力。总之，爱因斯坦
的修订后的广义相对论公式在描述引力方面可说是取得了以下三个明显
的成功：
1.解释一个静态的、永恒的宇宙；
2.在弱引力（如地球）条件下可以取得牛顿理论能够取得的所有成
就；
3.在牛顿理论失效的地方（如水星近日点处的强引力环境）取得了
成功。
许多宇宙学家对爱因斯坦的宇宙学常数持欢迎态度，因为它似乎起
到了让广义相对论兼容静态永恒宇宙的作用。但是，没有人太在意宇宙
学常数实际上代表着什么。从某些方面看，它可以与托勒密的本轮相提
并论，因为它是一个临时性的调整，目的只是使爱因斯坦获得他想要的
结果。即使爱因斯坦羞于承认这一点，但这是事实，他承认，宇宙学常
数“仅对于造成物质的准静态分布这一目的才是必要的”。换句话说，这
是一个忽悠，目的只是爱因斯坦用以得到预期的结果，即一个稳恒的宇
宙。
爱因斯坦还承认，他发现了宇宙学常数很别扭。谈到其在广义相对
论中的作用时，他曾说它“严重有损于理论的形式美”。这是个问题，因
为物理学家钻研理论的动机常常是出于审美上的追求。学界有一个共
识，即物理定律应该是优美、简单而和谐的。这些因素往往像绝佳的指
南指引着物理学家去看待哪些定律可能是有效的，哪些被斥之为虚假
的。美在任何情况下都很难界定，但当我们看到它时我们都知道。当爱
因斯坦看着他的宇宙学常数时，他不得不承认，这个不是很漂亮。尽管
如此，他还是准备在他的公式上牺牲一定程度的美，因为它使广义相对
论能够相容于稳恒态宇宙，这是科学的正统要求。
与此同时，另一位科学家采取了相反的观点，并以一种根本不同的
宇宙观将美置于正统之上。亚历山大·弗里德曼，在津津有味地读过爱
因斯坦的宇宙学论文后，对宇宙学常数提出质疑，并向科学界提出挑
战。
图29 亚历山大·弗里德曼，俄罗斯数学家，他的宇宙学模型显示了一个不断发展和膨胀的宇
宙。
弗里德曼于1888年出生于圣彼得堡，成长之际历经巨大的政治动
荡，并从小就学会了挑战权威。他在十几岁时，就组织学生罢课以响应
全国的反对沙皇政府镇压群众的抗议活动。1905年，随抗议活动而起的
革命导致宪法改革和一个相对平静的时期，尽管沙皇尼古拉二世继续掌
权。
1906年，弗里德曼进入圣彼得堡大学学习数学，并成为弗拉基米尔
·斯捷克洛夫教授的门生。斯捷克洛夫自己就反对沙皇，但在学术上他
鼓励弗里德曼来解决那些让其他学生望而却步的问题。斯捷克洛夫是个
非常挑剔的人，他记录了当他让弗里德曼去解一个与拉普拉斯方程有关
的高难度数学问题时所发生的事情：“我在我的博士论文里提到了这个
问题，但并没有具体地去解它。我认为弗里德曼先生应能够设法解决这
个问题，鉴于他较之其他同龄人所具有的出色的工作能力和知识。今年
1月，弗里德曼先生递交给我一份大约有130页的研究报告，他给出了这
个问题的一个比较满意的解。”
弗里德曼不仅对数学这一高度抽象的学科充满激情和才华，而且对
科学和技术也非常热心，在第一次世界大战期间他准备从事军事研究。
他甚至主动要求去执行驾机轰炸任务，并运用他的数学技能较好地解决
了弹着点的精度问题。他写信给斯捷克洛夫：“我最近有机会在轰炸普
热梅希尔的飞行中来验证我的想法；炸弹被证明是按理论预言的方式下
落的。为了掌握这一理论结果的确凿证据，我会在这几天再飞。”
正如积极投身一战，弗里德曼也经受了1917年的革命和随后的内
战。当他最终回归到他的学术生涯时，他碰上了姗姗来迟的爱因斯坦的
广义相对论。在俄罗斯学术界注意到这一理论时，广义相对论已在西欧
经历了几年的成熟期。事实上，也许正是俄罗斯与西方科学界的隔绝，
才使得弗里德曼能够忽视爱因斯坦的宇宙学方法，建立其他自己的宇宙
模型。
与爱因斯坦开始就设定一个永恒宇宙的假设，然后通过添加宇宙学
常数来使他的理论符合预期的做法不同，弗里德曼采取的是相反的立
场。他从形式上最简单、最美观的广义相对论公式——不含宇宙学常数
——出发，这使他能够自由地看到在理论上宇宙的逻辑演化结果应该是
什么样子的。这是一种典型的数学处理方法，因为弗里德曼本质上就是
一位数学家。显然，他希望他的这种更纯粹的做法能给出对宇宙的准确
描述，但对于弗里德曼来说，正是方程的美和理论的威严使他将这二者
作为超越实在——或者更确切地说，超过预期——的优先考虑。
弗里德曼的研究在1922年达到高潮，这一年，他在德文版的《物理
学杂志》（Zeitschrift für Physik）上发表了一篇文章。我们知道，爱因
斯坦主张通过对宇宙学常数的微调来使宇宙达到微妙的平衡，而弗里德
曼现在描述的是，如果采用不同的宇宙学常数的值，可产生的宇宙模型
到底有多大不同。最重要的是，他在文中概述了一种将宇宙学常数设置
为零的宇宙模型。这种模型实质上就是爱因斯坦原先的无任何宇宙学常
数的引力场方程。由于没有宇宙学常数来抵消引力，弗里德曼的模型很
容易遭受引力的无情拉拽。这使得该宇宙模型成为一个动态的和演化的
模型。
在爱因斯坦及其同事看来，这种动力学模型注定导致宇宙灾难性坍
缩。因此，大多数宇宙学家认为它是不可想象的。但对于弗里德曼来
说，这种动力学与宇宙相关联，可能导致宇宙初始时的膨胀，因此它具
有一种反抗引力的动力性质。这是一幅全新的宇宙图景。
弗里德曼解释了他的宇宙模型如何能以三种可能的方式对引力做出
反应，到底是哪一种方式，取决于宇宙开始时膨胀得有多快以及它所包
含的物质有多少。第一种可能性是假设宇宙的平均密度很高，在给定的
体积里有很多恒星。恒星多就意味着有强大的引力，最终将所有的星星
拉回来，膨胀停止，并逐步使宇宙转为收缩，直至彻底崩溃。弗里德曼
模型的第二种变体是假定恒星的平均密度过低，在这种情况下，引力的
作用将无法克服宇宙的膨胀，因此宇宙将继续膨胀直至永远。第三种变
体是取两个极端之间的密度，这导致宇宙中的引力会减弱，但无法完全
遏制膨胀。因此，宇宙既不坍缩到一个点，也不会膨胀到无穷大。
一个有用的类比是考虑以固定的发射速度发射炮弹到空中。想象这
一过程是发生在三个不同大小的行星上，如图30所示。如果行星的质量
巨大，那么炮弹会飞到几百米高的空中，再高引力就会使其回落到地
面。这种情况类似于弗里德曼的第一种质量密度非常高的宇宙模型，先
膨胀然后坍缩。如果行星的质量非常小，那么它的引力将非常弱，炮弹
打出去就再也不会回到地面，这类似于弗里德曼的第二种宇宙永远膨胀
的模型。然而，如果行星的质量中等，其引力也是中等强弱，则炮弹向
上飞行到一定高度后，将减速并进入轨道运行，其运动状态既不远离也
不靠近行星，这类似于弗里德曼的第三种场景。
弗里德曼所有三个宇宙观的一个共同点是变动宇宙的概念。他认
为，今天的宇宙既不同于昨天的也不同于明天的宇宙。这是弗里德曼对
宇宙学的革命性贡献：宇宙是一个在宇宙尺度上不断演化的过程，而不
是整体上保持静止直到永远。
由于这一假设衍生的内容丰富，也许现在我们来清理一下思路正是
时候。爱因斯坦提供了两种广义相对论版本，其中一个带宇宙学常数，
一个不带。随后，他基于他的带宇宙学常数的理论创建了静态宇宙模
型，而弗里德曼则在不带宇宙学常数的理论的基础上创建了一种（有三
种变化的）模型。当然，模型可以有许多个，但现实只有一个。现在的
问题是——到底哪一种模型切合实际？
图30 在三个不同大小的行星上，大炮以相同的速度发射炮弹。行星（a）的质量非常大，其引
力很强，炮弹落最终落回到地面。行星（b）质量很小，其引力太弱，炮弹飞入外空间。行星
（c）具有完美的质量，使得炮弹进入轨道运行。
对爱因斯坦而言，答案是显而易见的：他是对的，弗里德曼是错
的。他甚至认为俄罗斯人的工作在数学上是有缺陷的，并写了一封投诉
信到弗里德曼发表论文的杂志：“关于非平稳的世界的结果，对于弗里
德曼的工作，在我看来可疑。在现实中，它给出的解并不符合广义相对
论的方程。”其实，弗里德曼的计算是正确的，因此他的模型在数学上
是有效的，即使它们与现实的相似性值得商榷。也许爱因斯坦只是对弗
里德曼的论文粗略看了一眼，就认为它必然是有缺陷的，因为这与他的
静态宇宙的信念不相符。
在弗里德曼进行了有力反驳之后，爱因斯坦在给杂志编辑部的更正
通信中爽快地承认了自己的错误：“我相信弗里德曼先生的结果是正确
和清楚的。它们表明，除了静态解，[广义相对论的]方程还有一个随时
间变化的空间结构对称的解。”虽然他同意弗里德曼的动态解在数学上
是正确的，但爱因斯坦仍然坚持认为它们与科学无关。很明显，爱因斯
坦的这篇收回上次评论的更正信的原意仍是轻视弗里德曼的解，声称
它“很难有什么物理意义”，但随后他删去了批评，也许他记得这封信本
该是道歉。
尽管爱因斯坦反对，但弗里德曼仍继续推进自己的想法。然而，他
的工作还没来得及得到科学界严格的评审，命运就出面干预了。1925
年，弗里德曼的妻子正要生下他们的第一个孩子，他不得不忙于养家糊
口。在外工作期间，他给妻子写了一封信：“现在每个人都离开了天文
台，我一个人伴着四周的雕像和我前任的画像，一天的喧嚣之后，我的
心变得越来越平静，让我欣喜地想着远在千里之外的心爱的人的生活，
温柔的灵魂是活的，新的生活变得越来越近……一种有着谜一样未来的
生活，其中没有过去。”但是，弗里德曼没有活到亲眼见到他的孩子出
生。他染上了严重的疾病，可能是伤寒，并在精神错乱的状态中死去。
列宁格勒的一家报纸报道说，他曾试图进行计算，在临终前，对着假想
的观众喃喃自语，就像在给他的学生上课。
弗里德曼发展出一种宇宙的新视野，但他的去世几乎无人知晓。他
的思想已经发表，但在他的一生中，它们基本上没人去读，被完全忽
视。部分原因在于弗里德曼过于激进。在这一点上，弗里德曼与哥白尼
有很多共同之处。
更糟糕的是，弗里德曼曾受到爱因斯坦这位世界上最杰出的宇宙学
家的谴责。虽然爱因斯坦发表了一份勉强道歉的信，但事实上它并没有
广泛流传，这意味着弗里德曼的声誉仍然失去光泽。此外，弗里德曼有
的只是数学背景而不是天文学背景，因此他被宇宙学界认为是一个局外
人。最主要的是，弗里德曼直接超越了他的时代。天文学家当时还没有
能力实现对那些可能支持膨胀宇宙模型的天文现象进行详细的观察。弗
里德曼曾公开承认，尚没有有利于他的模型的证据：“在目前，这一切
都被认为是一个无法得到哪怕是不充分的天文学观测资料可靠支持的奇
特事实。”
幸运的是，膨胀和演化的宇宙的概念并没有完全消失。在弗里德曼
去世后仅过了短短几年，这一思想便再次呈现，但俄国人还是没能从中
获得任何赞扬。这是因为这次的膨胀宇宙模型是由比利时神职人员暨宇
宙学家乔治·勒迈特独立地重新发现的。勒迈特接受教育时也受到第一
次世界大战的严重干扰。
勒迈特于1894年出生在比利时的沙勒罗瓦，他在鲁汶大学获得了工
程学学位。但随着德国军队入侵比利时，他不得不放弃学业投笔从戎。
他在军队待了四年，目睹了德国人第一次使用毒气攻击。战争结束，他
因战时作战英勇而荣获铁十字勋章。战后，他回到鲁汶继续他的研究，
但是这一次，他从工程学转向了理论物理学。1920年，他还在马里纳
（MaIine）上了一所神学院。1923年，他被任命为天主教牧师。从此，
他一生中始终是物理学研究和牧师传教并重。“达到真理有两种途
径，”他说，“我决定二者兼顾同时并举。”
被授予神职后，勒迈特花了一年时间在剑桥与亚瑟·爱丁顿在一
起，爱丁顿称他是“一个非常优秀的学生，对问题非常敏锐，事情看得
非常透彻，并具有很强的数学能力”。次年，他去了美国，花时间在哈
佛天文台做天文测量，同时开始在麻省理工学院攻读博士学位。勒迈特
投身于宇宙学家和天文学家的行列，让自己熟悉对天体的观察，以补足
自己对理论的偏爱。
1925年，他回到鲁汶大学，得到一个学术职位，并开始基于爱因斯
坦的广义相对论方程来发展他自己的宇宙学模型，但在很大程度上忽略
了宇宙学常数的作用。在接下来的两年里，他重新发现了膨胀宇宙模
型，根本不知道其实早在10年前弗里德曼就以同样的思路提出了这一模
型。
图31 乔治·勒迈特，比利时神父和宇宙学家，他无意中复活了弗里德曼的不断演化和膨胀的宇
宙模型。他的理论认为，宇宙开始于一个原始原子的爆炸。他是大爆炸模型的先驱。
但勒迈特通过坚持不懈地追问膨胀宇宙的后果，超越了他的俄罗斯
前辈。与弗里德曼是一位数学家不同，勒迈特是宇宙学家，而且是一位
想要了解公式背后的物理实在的宇宙学家。具体地说，勒迈特感兴趣的
是宇宙的物理演化史。如果宇宙的确在膨胀，那么昨天的宇宙就一定比
今天的宇宙小。同样，去年的宇宙肯定比当前的宇宙小。从逻辑上讲，
如果我们回到足够远的过去，那么空间中的一切必将被压缩在一个很小
的区域内。换句话说，勒迈特准备倒拨时钟直到宇宙的一个明显的开
始。
勒迈特给出的一个很大的启示是，广义相对论暗示着存在创生的那
一刻。虽然他对科学真理的追求不受他寻找神学真理的影响，但这样一
种认识肯定会在这位年轻牧师的心中产生共鸣。他的结论是，宇宙始于
一个很小的致密区域，它由此向外爆炸，并随时间演化成我们今天所处
的宇宙。事实上，他认为宇宙会继续演化到未来。
发展出这一宇宙模型后，勒迈特转向物理学，开始寻找可以证实或
解释他的宇宙创生和演化理论的物理。他很偶然地注意到，天文学家对
有一个领域越来越感兴趣，那就是宇宙线物理学。早在1912年，奥地利
科学家维克托·赫斯曾将气球放到近六千米的高度，来检测收集来自外
太空的高能粒子的证据。勒迈特对放射性衰变过程也很熟悉，就是像铀
这样的大的原子裂解成较小的原子，同时发射出粒子、辐射和能量。勒
迈特开始猜测，宇宙就是由类似的过程诞生的，只不过尺度要大得多。
通过时间上倒推，勒迈特预计，当初所有的恒星都挤在一个超小型的宇
宙里，他称这个宇宙为原始原子。然后，他认为存在这么一个创生时
刻，在这一瞬间，这个无所不包的原子突然衰变，产生出当今宇宙中的
所有物质。
勒迈特推测，今天可观测到的宇宙线可能就是这种初始衰变的残余
物质，而且大部分的喷射物质会凝结，久而久之就形成了我们今天的恒
星和行星。后来，他是这样总结他的理论的：“原始原子假说是一种宇
宙成因假说，它将现在的宇宙描绘成一个原子的放射性分裂的结
果。”此外，这个所有放射性衰变之母所释放的能量可以为宇宙膨胀提
供动力，而膨胀正是他的宇宙模型的核心。
总之，勒迈特是第一位对我们现在所说的宇宙大爆炸模型给出了相
当可信和详细说明的科学家。事实上，他坚持认为这不只是宇宙的一个
模型，而是宇宙就这模型。他从爱因斯坦的广义相对论出发，发展了一
个宇宙创生和膨胀的理论模型，然后将已知的观测到的现象，如宇宙线
和放射性衰变等概念综合进来。
创生的那一刻是勒迈特模型的核心，但他对无形的爆炸如何转变成
我们今天看到的恒星和行星的过程也很感兴趣。他要发展一种涵盖宇宙
的创生、演化和历史的理论。虽然他的研究是理性的和逻辑的，但却用
诗性的语言来描述这一切：“宇宙的演化可以比喻为烟花的燃放：几缕
轻烟、几许灰烬。站在完全冷却的煤渣上，我们看到日薄西山，让人不
由得想起世界起源那一刻消失的光彩。”
通过将理论与观察相结合，并在物理学和天文学观测的框架内提出
了大爆炸假说，勒迈特的贡献远远超出了弗里德曼的早期工作。然而，
当这位比利时神父在1927年公布他的这个创生理论时，他遇到了与弗里
德曼模型提出时同样沉默的回应。造成这种局面的一个原因是，勒迈特
在发表他的这一工作时选择的是一本缺少知名度的比利时期刊《布鲁塞
尔社会科学年鉴》。
在勒迈特发表了《原始原子假说》后不久，他遇到了爱因斯坦。而
这次相遇使情况变得更糟。勒迈特出席了1927年在布鲁塞尔举行的索尔
维会议，这是一次世界上最伟大物理学家汇聚的盛会。在会上，他迅速
确立了他的存在，这要归功于他那抢眼的牧师服饰白色硬立领。他设法
留住爱因斯坦，向他解释了他所创立的创生和膨胀的宇宙模型。爱因斯
坦回应道，他已经听说过弗里德曼的这一思想，这才使这位比利时人第
一次得知了他的已故的俄国同行的工作。随后爱因斯坦回绝了勒迈
特：“你的计算是正确的，但你的物理是可憎的。”
爱因斯坦曾有两次机会来接受或至少是考虑膨胀的大爆炸的图像，
但他两次都回绝了这个想法。被爱因斯坦排斥就意味着被学界排斥。在
没有确凿证据的年代里，爱因斯坦的祝福或批评具有催生或断送一个新
理论的力量。爱因斯坦，这位曾经的反叛权威的标志性人物，如今已成
为一个无心的独裁者。他后来终于品尝到他处在这个位置的讽刺性，他
曾感叹道：“为了惩罚我对权威的蔑视，命运让我自己成了权威。”
勒迈特被索尔维会议上的遭遇弄得有些绝望，决定不再进一步推进
他的想法。虽然他仍然相信自己的膨胀宇宙模型，但他在科学界没有影
响，一点也看不到提倡大爆炸模型的希望，在其他人看来这个理论是愚
蠢的。与此同时，世界专注的是爱因斯坦的静态宇宙——它也是一个完
全合法的模型，虽然细微调整后的宇宙学常数显得有点做作。从任何方
面考虑，静态宇宙都是与人们普遍相信的永恒宇宙的信念一致的，所以
任何科学上的瑕疵都被忽视了。
事后，我们可以看到，这两种模型有着类似的优势和不足，实在是
难分伯仲。毕竟，这两种模型在数学上都是自洽的，在科学上是有效
的：它们都源自广义相对论公式，也都不与任何已知的物理定律相冲
突。然而，二者也都缺乏观测和实验数据的支持。正是这种证据的缺
乏，使得科学界被偏见所左右，偏爱爱因斯坦的永恒静态模型而贬抑弗
里德曼和勒迈特的膨胀的大爆炸模型。
事实上，宇宙学家们仍处在神话与科学之间的那种令人不舒服的无
人境地。如果他们要取得进展，就必须找到一些具体的证据。于是理论
家转向观测天文学家寻求帮助，希望他们能将观察延伸到深空，对这些
竞争性模型做出区分，证实一个证伪另一个。天文学家也确实在20世纪
的余后时间里建设了更大、更好、更强有力的望远镜，并最终做出了改
变我们的宇宙观的关键性观察。
