任何一趟旅程的首要谜题是:旅行者该如何到达出发点? ——露易斯•博根(Louse Bogan), 《在自己房间里的旅行》(Journey around my Room) 在一个黑暗的暴风雨之夜。 1916年初,阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein)刚刚完成他的伟大工作。他经过10年艰苦的智力工作,归纳出新重力理论,他称之为广义相对论。不过,广义相对论不仅是新重力理论,而且是新时空理论。这一科学理论不仅能解释物体如何在宇宙中运动,还能解释宇宙自身的演化。这还是第一次。 但其中有一个障碍。爱因斯坦开始运用这种理论描绘宇宙整体时,发现我们显然生活其中的宇宙无法描绘。 现在,时间大约过了100年。只在一个人生命的幅度内,很难充分理解我们的宇宙变化有多大。1917年前后的科学界认为:宇宙平坦而永恒,只有一个星系——我们的银河系。银河系之外围绕着广阔、无限、黑暗、空旷的太空。毕竟,你用肉眼或小望远镜观察太空时,没有理由怀疑还有其他事物存在。 爱因斯坦理论和以前的牛顿万有引力理论一样,认为重力是所有物体之间纯粹的吸引力。这意味着空间中的大质量物质不可能永远静止。相互吸引终将导致内崩溃,显然有异于貌似静态的宇宙。 爱因斯坦的广义相对论不符合当时的宇宙图景,他因此受到的打击比人们想象的更大。我有理由摈弃一个广为流传的爱因斯坦和广义相对论神话,这个神话一直让我不舒服。普遍认为:爱因斯坦闭门独自工作了好几年,完全依靠思想和推论,超然于现实之外,构建了这个美丽的理论(……或许就像今天的弦理论家!)不过,真实情况差之千里。 爱因斯坦总是深受实验和观察引导。他一面做许多“思想实验”,一面用10年时间辛勤工作,学习新数学、追随许多错误的理论。最后,他得出在数学上确实美丽的理论。不过,他和广义相对论的因缘中,观察是最重要的时刻。他在最终完成理论的亢奋时刻,跟德国数学家大卫•希尔伯特(David Hilbert)竞争,用他的公式演算天体运行:水星近日点(轨道最接近的一点)进动。其他方法似乎只能推导出模糊的结论。 天文学家早已注意到:水星轨道跟牛顿物理学的预言稍有偏差。水星轨道不是完美的椭圆形回归(就是说行星不会精确地返回到同一个点上。每运转一圈方向,都会有所变化,最终形成螺旋形。)偏差值小得难以置信:100年偏离43角秒(百分之一度)。 爱因斯坦用广义相对论推算轨迹,数值刚好吻合。爱因斯坦的作传人亚伯拉罕•派斯(Abraham Pais)说:“我相信,在爱因斯坦迄当时为止的科学生涯中,又或许在他一生中,这次发现是最强烈的感情体验。”他自称心脏狂跳,里面“仿佛有东西断了”。一个月后,他向朋友描绘这个理论“不可思议的美”。他的愉快显然不限于数学形式。 不过,广义相对论和观察结果的吻合并没有持续多久。(虽然爱因斯坦修改了理论,后来还是称之为“他最大的错误”,但那主要是以后的事。)现在所有人(除了美国教育委员会的某些学校)都知道宇宙不是静态的,而是在膨胀中。宇宙膨胀始于大约137亿年前的大爆炸,以不可思议的灼热、致密状态为起点。同样重要的是:我们知道银河系只是可观察宇宙的4000亿星系之一。我们就像早期地图测绘员,刚刚开始填满更大尺度的宇宙。几乎没有人怀疑:最近几十年见证了我们宇宙图景的革命性变化。 发现宇宙不是静态、而在膨胀中,具有深厚的宗教和哲学意义,因为这就暗示我们的宇宙有一个开端。开端暗示创世,创世激起感情。从1929年发现宇宙膨胀,到大爆炸获得独立的经验证据,用了几十年时间。1951年,教皇庇护十二世(Pope Pius XII)宣称:这是创世纪的证明。他说: “……似乎今天的科学回溯诸世纪,已经成功地发现了要有光那一刻的庄严证据。这时,物质从光与辐射的虚无之海创生。基本元素分离、扰动,形成数百万星系。于是,物理(科学)具体证实了宇宙的创生,也提出了充分的依据:世界新纪元源于造物主之手。因此,创世存在。我们可以说:因此,造物主存在。因此,上帝存在!” 其实全部经过更有趣。第一个提出大爆炸的人是比利时教士和物理学家乔治•勒梅特尔(George LeMaître),勒梅特尔是罕见的通才。他最初的专业是工程师,在第一次世界大战中当装配炮兵。后来,他在1920年代初攻读神学,中途转入数学。然后,他转入宇宙学领域,首先师从著名英国天体物理学家阿瑟•斯坦利•爱丁顿爵士(Sir Arthur Stanley Eddington),接着转入哈佛大学(Harvard),最后在麻省理工(MIT)获得第二个物理学学位。 1927年,勒梅特尔在获得第二个物理学学位以前,实际上已经解决了爱因斯坦广义相对论的公式。他证明这个理论预示了非静态宇宙,暗示我们所在的宇宙在不断扩张。这种见解似乎极其可怕,爱因斯坦强烈反对:“你在数学上很重要,在物理学上就糟透了。” 但是,勒梅特尔勇往直前。1930年,他进而提出:我们的宇宙始于“无形基点”。他称之为“原始原点”,代表开端,暗示创世纪或“没有昨天的日子”。 因此,教皇庇护宣扬的大爆炸,一开始是一位教士提出的。人们可能会以为:教皇的认可会让勒梅特尔兴奋不已,但在他心中,这个科学理论已经跟神学后果没有关系。1931年,他在大爆炸的论文中删除了涉及这方面的段落。 事实上,勒梅特尔在1951年反对教皇宣布大爆炸证明创世纪(尤其是,他意识到:如果以后他的理论证明有误,罗马天主教会宣称的创世纪就会引起争议)。这时他已经选入梵蒂冈教廷学院,后来担任院长。他说:“照我看来,这种理论跟任何玄学或宗教问题毫无关系。”教皇以后再也没有公开提出这个论断。 这是珍贵的一课。勒梅特尔认为:大爆炸是否真正发生,是一个科学问题而不是神学问题。而且,如果大爆炸确实发生过(现在有压倒性证据支持),一个人也可以根据宗教和玄学观点,选择不同的解释。如果你觉得有必要,可以选择把大爆炸视为造物主的证明。相反,你也可以争辩说:广义相对论的数学解释宇宙演化,可以回溯至宇宙起源,无须任何神明介入。不过,这些形而上学推测跟大爆炸自身的可靠性没有关系,我们无须考虑。当然,当我们超越了宇宙膨胀,理解了产生起源的物理法则,如我所述,科学就会进一步阐明这种推测。 无论如何,科学界相信宇宙膨胀,并不是因为勒梅特尔和庇护教皇的说词。相反,任何良好的科学都源于细致的观察。这一次的观察来自埃德温•哈勃(Edwin Hubble)。他从律师变成天文学家,一直让我对人性更有信心。 1925年,哈勃取得重要突破。他使用威尔森100胡克望远镜,是当时世界上最大的望远镜。(相比之下,我们现在建造的望远镜半径大10倍、面积大100倍!)科学家依靠那时能够应用的望远镜,判断模糊的物体不是银河系的星星。他们称之为星云,源于拉丁文词根“模糊的东西”(其实就是“云”)。他们还争论这些物体在银河系内还是银河系外。 由于当时的主流看法认为银河系就是全宇宙,大多数天文学家站在“银河系内派”一边。(这一派的领军人物是哈佛的著名天文学家哈罗•夏普利(Harvard. Shapley)。夏普利五年级时退学,自学成才,最后去了普林斯顿大学(Princeton)。他决定研究天文学,因为察看课程表时,第一眼就看到天文学。他的开创性著作证明:银河系比过去的估计更大。他还证明:太阳不在银河系中心,而在不起眼的边缘。他是天文学巨擎,因此,他对星云性质的看法影响甚大。) 1925年元旦,哈勃发表了关于所谓漩涡星云的两年研究结果。他确定了这些星云(包括现在的仙女座星云)中存在某种类型的食变光星,称为造父变星。 1784年,造父变星第一次发现,其光度周期性变化。1908年,哈佛大学天文台雇佣当时未被承认和赏识的候补天文学家亨利埃特•斯温•莱维特(Henrietta Swan Leavitt)作“计算机”(根据观察照片、制作恒星亮度表的女人,当时女性不能接触天文台望远镜)。莱维特是清教徒的后裔、公理会牧师的女儿。她做出一个惊人的发现,1912年又获得进一步的启示。她注意到:食变光星的亮度和变化周期有恒定的联系。因此,如果我们能确定已知周期的造父变星距离(后来在1913年确定),然后再测定其他造父变星的亮度,就可以确定其他星星的距离! 因为星星的观测亮度跟距离的平方成反比(光线均匀延伸,随着距离的平方而增加。因此,光线延伸到更大区间,在任何一点上,观测亮度下降跟区域面积成反比。)判断远方星星的距离,一直是天文学的主要挑战。亨利埃特的发现是该领域的革命。(哈勃自己问鼎诺贝尔奖失意,经常说莱维特的工作配得上这个奖。不过他也是自私自利,因为他可以作为自然竞争者,以后期工作跟她分享诺贝尔奖。)1924年,瑞典科学院提名莱维特为诺贝尔奖候选人,文件工作实际上已经开始了。这时,他们获悉莱维特已经在3年前死于癌症。哈勃凭籍他个性的力量、自我推销的技巧、观察者的技能,变成了家喻户晓的角色。而莱维特,哎,只有如痴如醉的天文学爱好者才知道。 哈勃能够运用他的造父变星测定和莱维特的光度周期关系,证明仙女座和其他几座星云的变星距离太遥远,不可能在银河系内。事实证明,仙女座是另一个宇宙岛、跟银河系一样的漩涡星云、我们目前所知的宇宙4000亿其他星云的一员。哈勃的结论一清二楚,天文学界(其中包括夏普利,当时正好是哈佛大学天文台长。莱维特就在那里完成了她的开创性工作。)很快就接受了事实:我们周围不仅有银河系。突然间,已知宇宙的尺度急剧扩大,大大超过了过去多少个世纪!宇宙的性质和其他一切都改变了。 在这个戏剧性的发现后,哈勃本来可以躺在桂冠上休息,但他的追求不仅仅是星系。他测量更遥远星系中更微弱的造父变星,就能绘制更大尺度的宇宙地图。不过,他在测量中发现了甚至更重要的东西:宇宙在膨胀! 哈勃和另一位美国天文学家维斯特•斯里弗(Vesto Slipher)比较他测定的不同尺度诸星系距离。斯里弗曾经测定过这些星系的光谱。为了理解这些光谱的存在和性质,我必须引导读者,回到现代天文学的开端。
无中生有的宇宙——第一节
书名: 无中生有的宇宙
作者: [美] 劳伦斯·M·克劳斯
出版社: 江苏人民出版社
原作名: A Universe from Nothing
副标题: 万物起源于空,空又从何而来?
译者: 刘仲敬
出版年: 2012-9
页数: 138
定价: 28.00元
装帧: 平装
ISBN: 9787214086426