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讀書隨筆:大爆炸之前(中)

1934年,哈勃公開宣布,宇宙是一個有限的球體,寬60億光年,由500萬億個星云組成,每個單元的亮度都是太陽的8000萬倍。——上一個用這樣大尺度數據來描述世界的,是三千年前的佛陀

這是人類歷史上第一次有一定觀測證據支持的關于宇宙是有限的論述。

題外話,其實干脆說宇宙是無限的,要省事得多,大家就沒有需要關心或者好奇的事了——如果宇宙有邊界,自然你就會問那邊界之外是啥?宇宙在膨脹,那宇宙是在誰的里面膨脹?無窮無盡的問題就來了。

干脆說無限,取消一切懷疑和質詢。就像干脆承認有一個萬能的上帝或者一個從來都正確的權威,就能解決一切問題一樣。

可是,人類的每一次進步,卻都是從“如果……會怎樣呢?”開始的。

說了這么多測距,測來測去的,到底與大爆炸有什么聯系?在宇宙中,距離就是時間。我們觀測遠方,其實就是在凝視過去。

比較好玩的是到20世紀初,地質學的發展已經讓地球年齡測量相對準確,大家當時認可的地球年齡是20億年左右。而根據天文觀測和推算出來的宇宙年齡,則始終只有地球年齡的一半左右。問題在哪呢。

當然是用觀測造父變星來測量距離的方式有問題,哈勃自己也假設所有造父變星的頻率和亮度都是一樣的。

后來的沃爾特·巴德進一步發現了造父變星之間亮度的本質性差異,發展了利用這種差異來精確化測量結果的方法,于是到了20世紀初,宇宙的年齡到了36億年左右。

不過同期的盧瑟福提出了放射性衰變可運用于年代測量的方法,1902年大家精準地測定地球的年齡是42億年,依然比宇宙的觀測年齡長。

這件事直到20世紀50年代才得到解決——新工具出現,天文成像觀測,即可以拍攝精細的照片,讓天文學家通過照片進行分析。

巴德的助手桑德奇發現,遙遠星系的恒星亮光,會因為星系中充滿的氫氣團存在而被放大,因此,如果排除掉這些氫氣團的影響,那么這些星系會離地球更遠——他測定的結果是宇宙應該有100-200億年的壽命了。

好玩的地方在于,當代精確給出的宇宙年齡數值——137.3億年,其實并不是觀測得來的,而是一個簡單到出奇的理論模型給出的!

這個模型叫“λ-冷暗物質模型”。這個模型使用了6個參數就定義了我們的宇宙萬物,也就是說,如果將來大家找到更好解釋宇宙力量的模型,那么這個137.3億年就變成了純粹的胡說

回到哈勃,哈勃此生最大的成就就是“哈勃定律”——他精確地觀測到整個宇宙都在加速膨脹,理由就是他通過光譜分析發現的“紅移”現象。

哈勃最牛的一點,是遵從了他的偶像牛頓的說法——我從不杜撰假說——牛頓只是精確地描述運動定律和萬有引力,但他從沒有去設想為什么會這樣的原因。

各位還記得的話,敝號真是在多少科普和哲學隨筆中強調過,科學理性思維的關鍵在于描述過程,而不貿然追尋原因。

哈勃也是這樣,他推導出了星系距離與紅移速度之間的精確關系——越遙遠的星系,離我們遠去的速度越快,但他堅決不再去追問這樣的原因,他拒絕提出諸如宇宙膨脹和大爆炸的理論猜想。

一般而言,膨脹的速度不可能超過光速,不過,這只是相對于膨脹的宇宙邊緣而言。處于宇宙中的星系之間的相對速度,則很有可能超過光速。因此,超光速可以發生在相對速度中。

第一個把哈勃這驚人發現,與勒梅特牧師的猜想聯系到一起的,并予以支持的科學家,是大名鼎鼎的愛丁頓。也就是那個被譽為除了愛因斯坦本人以外,唯二懂得廣義相對論的人。

其實愛丁頓一開始也反對宇宙膨脹理論,不過,科學家良好品質讓他樂于改變自己的觀點和方向。

這就是科學與政治最大的差別——如果證據都支持改變方向和觀點,那么科學家會樂于改變,而且會認為依然固執己見才是一種軟弱的體現;在政治上恰好相反,固執己見倒會被認為強大,善于改變會被認為軟弱。

接著愛丁頓想法的,是烏克蘭物理學家伽莫夫,這又是一個不接受以政治標準衡量科學家成就的科學家,想方設法逃離了蘇聯,成就了不亞于哈勃、愛因斯坦業績的偉大人物——不要忘記了,愛因斯坦也是愛科學而不愛國的典型,逃離了他的祖國德國。

伽莫夫順著愛丁頓的設想,計算了宇宙在膨脹初期的極端狀態——他認為那會是一片等離子體海洋,最初的元素——氫,也就是帶著一個電子的質子,在隧穿效應下結合為氦,產生第一批新元素。

接著他意識到,在這個過程中會有光產生——宇宙誕生之初的極高密高溫狀態下,會有原初的光產生——黑體輻射原理。而恰好光是唯一能穿越數億年而不發生任何變化,頂多只是損失能量的物質。

宇宙膨脹的話,那么這個原初的光也會被拉長——發生紅移,表現出來光子能量損失,那就是光的溫度會降低。他計算了這個原初的光,認為其溫度應該在5開爾文度左右,也就是比絕對零度-273℃要高出5度的樣子。

伽莫夫無形之中提出了一個證明宇宙大爆炸的指標——檢測這種光,也就是輻射,是否存在。而且這種輻射是四面八方的,不論你從哪個方向看過去,看得足夠遠的話,就能看到原初的時刻。

那么這個點怎么容得下全宇宙的物質和能量?科學家們在解決這個問題時,耍了個滑頭——他們沒有解釋何以容得下,而是用了數學處理方法——把引力視為負能量,與形成物質的正能量相對應,也就是說,一切都可以歸于“無”,宇宙之初產生了多少物質,就產生了多少引力負能量。

把引力視為負能量也好理解——要把衛星送入高空軌道,實際上就是用火箭給衛星注入正能量,以送到高空對抗更弱的引力,注入的正能量實際上就等于增加的引力負能量。

當然,對大爆炸持有懷疑和否定態度的,也仍然以物理學人為主。主要有兩點他們非常不滿意——其一帶有一點價值觀色彩,大爆炸意味著世界有一個起點,人們自然就要問起點之前是什么,誰啟動了大爆炸,很容易滑向神的干預這個領域。

其二是有關大爆炸的均勻性問題——如果是從一點大爆炸開來,那么在那一點,時空的曲率達到最大,瞬間展開,應該是各處都有褶皺(想象一下把揉成一團的紙突然展開),而不是像現在的宇宙這樣,幾乎每處都是均勻分布的,這在相對論中叫均勻(homogeneous)和各向同性(isotropic),不論從哪個方向看出去,宇宙都是一樣的,如何解釋?

20世紀40年代,英國物理學家霍伊爾提出了一個足以挑戰大爆炸學說的宇宙理論——恒穩態理論。簡單來說,恒穩態也承認宇宙在膨脹,只不過認為膨脹既沒有起點,也沒有終點,只是持續在均勻變化。

恒穩態理論最大的優勢是可以解釋宇宙的各向同性和均勻分布性質,隨著宇宙膨脹,新物質不斷被創造出來,保持整個宇宙物質與能量的恒定。

也就是說,恒穩態理論實際上是對當時對宇宙常識化理解的大綜合,大爆炸理論則是從一點——宇宙膨脹——出發提出一個全新構想,這個構想目前為止到處都是缺陷——任何新生事物的共同特點。

也確實有意思,大爆炸理論的提出和支持者們是美國科學家,恒穩態的提出和支持者則是英國科學家,正好象征了兩國觀念上的差異。

恒穩態的提出者霍伊爾后來自己提出了一個檢驗方案——從恒穩態觀點來看,宇宙各向同性,因此,不論哪個地方,不論遠近,我們都能看到新生的物質——新生的星系、恒星。

而大爆炸觀點,宇宙在時間的方向上不是“各向同性”,只有一個方向,過去、現在和未來,因此,我們周圍的星系年齡都應該差不多,不會有“新生兒”星系和恒星,如果要觀測,只能觀測久遠的過去,遙遠的星系才可能有這些“新生兒”的出現。

20世紀60年代,射電望遠鏡開發出來了。所謂射電望遠鏡,就是捕捉遙遠星體發出的微弱光子來構成圖像,相比光學望遠鏡,射電望遠鏡的特點是可以通過一系列放大器把微弱的信號放大,然后成像,這樣就可以看到比光學望遠鏡更遙遠的物體。

看得越遠,就看得越久,時間回溯得越長,結果就發現了恒穩態理論中沒有的事物——類星體。類星體是非常遙遠的星系——距離太陽系30億光年之外,看起來像是一個恒星,實際上是新生的星系。

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