宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第16章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
——译者注
从那时起，邦迪、戈尔德和霍伊尔开始关注宇宙学的进展。邦迪对广义相对论产生了兴趣，并很快发现了不均匀的宇宙模型，这是托尔曼早在20世纪30年代就已经发现了的。但是当三人调研了相关文献，并且在吃饭和喝茶的时候进行了大量讨论以后，他们都觉得勒梅特膨胀演化的宇宙模型不能令人满意，尽管这个模型曾让整个天文学界大为赞叹。勒梅特的宇宙从过去某个时刻开始膨胀，持续不断地演变，并注定会变成一片荒芜的不毛之地，这让他们非常沮丧。
顺着爱因斯坦的思路，他们也假设宇宙从大体上看是均匀的，但他们不相信宇宙的过去和现在有什么不同，也不相信将来会有什么不同。为此，他们提出了一个非常新颖的宇宙模型：宇宙从古至今、从头到尾都是一样的。米尔尼把爱因斯坦关于宇宙的物质均匀分布的假设叫做宇宙学原理。而宇宙从古至今都是一个模样是一个更强的限定，邦迪、古尔德和霍伊尔把它称为完全宇宙学原理。
他们提出的这种原理，并不是说宇宙是静止的，而是说宇宙时刻处于稳态。他们知道，天文学观测表明宇宙在膨胀，因此不可能处于静止状态。但这并不意味着宇宙不可能永远都一样。设想一条大河稳稳地流过，如果你盯着河面上的一点看，就会发现大体上没有什么变化。“宇宙也可以这样吗？”他们这样问自己。
他们希望无论何时，宇宙从平均上看都是一样的。局部上可以存在一些小变化，不断有恒星和行星在形成，然而宇宙所有的总体性质（膨胀的速率、星系和恒星形成的速率、物质的密度、辐射物质的温度）平均而言，在任何时刻都是不变的。这与膨胀宇宙的标准模型迥然不同。在这些标准模型中，宇宙过去的物质密度和温度都非常高，随着宇宙年龄变大，膨胀的速率也逐渐下降，最终会走向一个冰冷的、没有生命的未来（被误称做“热寂”）或一个灾难性的“大塌缩”。在弗里德曼和勒梅特的宇宙模型中，宇宙的过去和未来有着天壤之别。
为了能够严格地满足完全宇宙学原理，1948年，邦迪、戈尔德和霍伊尔（图6。1）提出了一个激进的新想法：如果要让宇宙膨胀，又要始终保持宇宙的物质密度不变的话，唯一的办法就是要有新的物质不断冒出来，这样才能抵消宇宙膨胀对物质密度的稀释作用。
这个想法听起来就像天方夜谭，但他们辩解道，相比其他宇宙学模型提出的，所有的物质奇迹般地在一瞬间同时冒出来的想法，这已经不算什么稀奇的了。如果新物质真的会不断地产生的话，它们就有可能被物理学家探测到。要保持宇宙密度不变，所需要的新物质生产率非常非常微小——大约是每百亿年从每立方米的空间中产生出一个原子。这个生产率太小了，远远超过任何实验所能直接探测的范围。没有任何一个物理实验室能制造出平均密度像宇宙那么小的真空。然而，尽管你不能指望直接探测到新物质的产生，这个理论也远没有超出天文学观测的检验能力。恰恰相反，这个理论做出的大量言之凿凿的可检验的预测，都被天文学家用观测数据否定了。
图6。1 1960年左右，托马斯·戈尔德（左）、赫尔曼·邦迪和弗雷德·霍伊尔（右）在剑桥的一次会议中
假如宇宙的总体性质真如他们所说，从古至今都没有变过，那么当我们向太空极目远眺（于是会看到很久很久以前发出来的光）时，应该发现宇宙任何时候看起来都一样。不可能存在一个这样的时间段，期间星系开始形成，而在那之前，宇宙中还没有任何星系。20世纪50年代，越来越多的证据推翻了这个重要预言，让人们逐渐从稳态宇宙理论中清醒过来。射电天文学家说，星系发出的无线电波并不是普遍存在于宇宙过去的任何时期。后来，人们发现了一种叫做类星体（全称是“类星射电源”＇4＇）的新型发光天体，能从像太阳系这么小的区域内发出有如整个银河系大小的能量，这给稳态宇宙模型提出了新的难题。所有类星体似乎都与我们保持特定的距离，这说明它们形成于宇宙历史上一个短暂的特定的时期。稳态宇宙模型无法解释这个现象，而在弗里德曼和勒梅特的演化宇宙中，这个现象非常自然，这表明当宇宙膨胀到一定时期，各种条件成熟了以后，星系、射电源和类星体这样的天体就开始形成了。
当时没有人注意到，这其中有一个奇怪的巧合。在弗里德曼–勒梅特宇宙模型中，宇宙的膨胀速度大约是宇宙年龄的倒数。在稳态宇宙模型中，膨胀速率和宇宙年龄没有任何关系，因为宇宙的年龄无穷大——宇宙一直都存在。稳态宇宙的膨胀速率可以任意取值。实际上这无关紧要。因此，宇宙实际膨胀速率的倒数，跟太阳这样的典型恒星的年龄相近，在稳态理论中完全是巧合。然而，在弗里德曼和勒梅特的演化宇宙模型中，这件事完全是自然而然的。先有恒星，才能有天文学家。于是我们可以设想，当我们观测宇宙的时候，宇宙的年龄已经足够大，足以让恒星安顿下来，并把燃烧氢元素的核反应也稳定下来（需要大约一百亿年）。这样，我们就会发现，宇宙的膨胀速率接近于恒星年龄的倒数。①
① 哈勃常数表示宇宙膨胀速度的大小，量纲是速度（千米每秒）除以距离（百万秒差距），因此哈勃常数倒数的单位是时间。在许多演化宇宙的模型中，哈勃常数的大小往往和逝去的时间呈反比，因此其倒数接近宇宙的年龄和恒星的年龄是非常自然的结果。——译者注
邦迪和戈尔德在1948年提出的稳态宇宙论中没有多少方程。＇5＇这个理论要满足对称性和时空的均匀性原则。他们坚持认为，宇宙从古至今、从头到尾都应该看起来差不多是一个模样。这通常被看成是一种对哥白尼原理的扩充，它不允许我们认为自己正处在宇宙的一个特殊位置。在稳态宇宙论看来，这个位置指的是时空中的位置，而不是仅仅代表空间位置。
这个原理的限定性非常强，只有四种类型的宇宙能够满足其要求。第一种是什么都没有的静态宇宙——没有物质，没有辐射，没有引力，只有时间和空间。这太没意思了。第二个是爱因斯坦最开始提出的静态宇宙。这个宇宙不膨胀，于是所有地方一直都是一样的。现实并非如此，所以邦迪和戈尔德没有选择这个模型。生命的出现要求宇宙得发生一些变化。根据热力学第二定律的预言，宇宙总体的混乱度和复杂度也要不断增加。第三个选择又是一个不膨胀的宇宙，就是哥德尔发现的那个奇特的旋转宇宙。这个宇宙在匀速转动，无论你在何处，看起来都一样。这个旋转宇宙明显不是我们所生活的宇宙。最后一个宇宙终于满足了邦迪和戈尔德的要求。它就是最先由德希特发现的、空间曲率为零的宇宙。不像其他三个，这个宇宙会膨胀，而且膨胀速率从古至今、从头到尾都是一样的。活在这个宇宙的天文学家，无法通过观测来确定现在是“何时”。＇6＇这个宇宙没有开端，也没有终点。
邦迪和戈尔德提出稳态宇宙模型不久，霍伊尔也发表了一个自己的版本。＇7＇他引入了一种物质均匀产生的机制，可以抵消宇宙膨胀的稀释作用。这个机制会直接导致与德希特宇宙类似的演化行为。
这种模型有一些有趣的特点。首先，它解释了为什么宇宙是均匀的、膨胀速率是各向同性的。如果你向稳态宇宙中引入任何不对称性，其产生的影响都会迅速减弱，宇宙的膨胀也会迅速恢复到各向同性、均匀的状态中来。在微扰的影响下，稳态宇宙是稳定的。＇8＇打个比方，假如你暂时把铅笔倒立起来，你会发现这个姿态非常不稳定，任何风吹草动都能使它摔倒。但如果你把一个玻璃弹子放在碗底，并把它推离平衡位置的话，你就会发现它在平衡位置周围飞快振荡，最后回到原点。这就是稳定的物理系统。
稳态宇宙模型引发了巨大的争议，因为它第一次抛弃了爱因斯坦的引力理论，试图仅仅用对称性原则描述宇宙。邦迪、戈尔德和霍伊尔似乎对此不以为意，因为他们的理论能够做出许多简单的预言，很容易被天文学观测检验。霍伊尔提出的物质不断产生的现象，在广义相对论中并不存在，是一种新的物理机制。随后在1951年，英国天文学家威廉·麦克里证明，爱因斯坦的理论中可以很容易地引入霍伊尔的“创生场”，而不必改变其本质。这不过是用另一种形式构造爱因斯坦早先提出的宇宙学常数。宇宙学常数的大小和新物质产生的速率相等。这个速率始终保持不变，所以说它的行为很像德希特宇宙，如图3。4所示。
整个20世纪50年代，稳态宇宙模型一直被看作是传统的“大爆炸”理论有力的竞争者。“大爆炸”一词还是霍伊尔1949年一次在做客BBC第三套广播讲宇宙学时提出的呢！当时观测天文学的前沿是射电天文学，打头阵的是剑桥的天文望远镜，由马丁·赖尔（Martin Ryle，1918～1984）负责实施。赖尔在观测中应用了由他本人发展的新技术，可以提高天文观测的质量。尽管霍伊尔和赖尔在战争期间都曾研究过雷达技术，可他俩的关系并不好，互相怀疑对方故意找茬，想推翻自己的研究成果。例如，赖尔试图用观测数据推翻稳态宇宙的预言，而霍伊尔则质疑宇宙射电源观测结果的精确性和赖尔做出的解读。最终，赖尔的数据几乎征服了所有人，大家都开始相信天然射电源并不是从古至今都普遍存在的，而这违背了稳态宇宙模型的要求。下面这首诗是由乔治·伽莫夫的妻子芭芭拉写的，从旁观者的角度记录了这场争论：
《赖尔辩霍伊尔》
赖尔辩于霍君：
“尔等夙兴夜寐，
我谓宝山空回。
磐石虽稳，
难阻东流之水。
焉能颠倒是非。
我有巡天远镜，
离相贪嗔寂灭，
化解痴心无形。
劝君一言：
既知天高海阔，
自有云淡风轻。”
霍君反唇相讥：
“勒梅特伽莫夫，
陈年旧事休提。
肉食者鄙，
秕言开天辟地，
焉长他人志气？
此理昭然易见，
绝无海枯石烂，
亦非盘古开天。
我辈三人，
绵绵不绝此念，
精疲力竭亦然。”
“非也非也非也，”
赖尔目眦尽裂，
怫然强忍不悦，
“芸芸星系，
放眼穷极视界，
无不森然布列。”
“竖子不足为教！”
霍君如雷暴跳，
词穷理屈又表，
“生生不息，
无论暮暮朝朝，
恒久长存其妙。”
“任尔唇剑舌枪，
我有铁壁铜墙，
切莫贻笑大方，”
赖尔再道，
“不出一时半晌，
必来缴械投降！”＇9＇
赖尔利用剑桥的射电望远镜获得了大量天文观测证据，邦迪、古尔德和霍伊尔三人却无动于衷，仍在射电天文学家的咄咄攻势中做困兽犹斗。这场争论在宇宙学历史中被称作“大爆炸对决恒稳态”，尽管实际上这主要是英国天文学界的事，没怎么影响到美国。＇10＇当然，这件事也体现出，英国和美国宇宙学家的研究方法存在一个有趣的差异。英国的宇宙学家看重科学方法论以及其中蕴涵的科学哲学原理，把它们用来估量一些概念的地位和隐含意义，例如邦迪、古尔德和霍伊尔的完全宇宙学原理。相比之下，奉行实用主义的美国式研究则避开了这些争论。＇11＇由于霍伊尔在广播节目中发挥出色，而且他的书也十分畅销，在英国这场争论简直是家喻户晓，直到今天，仍然有非专业人士以为稳态宇宙模型和大爆炸理论是棋逢对手。
20世纪 80年代，我曾和霍伊尔有过一段时间的接触。当时我们在意大利博洛尼亚参加一个现代宇宙学历史的研讨会，被安排住在一起。我们讨论了许多那段稳态宇宙模型的命运还不甚明朗的时期，以及在所有人都放弃了这个理论之后的二十多年间，他是如何看待这些否定性证据的。最让他困扰的是，这个物质不断产生的过程，应该冒出等量的物质和反物质。在他看来，物质和反物质的平等性是一个大问题＇12＇，因为当时没有任何证据表明存在反原子、反行星或反恒星：宇宙中的物质具有压倒性的优势。的确，我们能在实验中制造出反粒子，能在宇宙射线中探测到正电子，但宇宙主要还是由物质构成的，至少在我们周围的地方是如此。
非常值得注意的是，1948～1952年间，由于最遥远退行星系的距离被科学家算错了，所有的膨胀宇宙模型都被这个数据误导了，于是宇宙的年龄也被大大低估了。在这段时期内，这个数据继而导致了一个悖论，膨胀宇宙模型预言的宇宙年龄比其中最古老恒星的年龄还要略微小一些。就是在这种混乱的情况下，稳态宇宙模型诞生了。于是，它的对手大爆炸理论处境艰难。大爆炸理论不太能描述宇宙的细致特征，因此无法成为一个比稳态宇宙模型更好的理论。爱因斯坦对这个艰难处境的反应值得玩味——而且现在回过头来看，他的反应完全正确。面对恒星年龄比宇宙年龄还大的尴尬，他断定更可能是恒星演化理论错了：“在我看来，无论如何，恒星演化理论所依赖的基础不如引力场方程牢固。”＇13＇
1952年，由于沃尔特·巴德（Walter Baade，1893～1960）的出场，境况开始变化。巴德是一个德国天文学家，从1931年起在美国生活和工作。他怀疑当时造父变星的绝对亮度有误，于是用坐落在帕洛玛山的 200 英寸望远镜来验证自己的怀疑。天文学家用造父变星来测量河外星系的距离，进而根据哈勃–勒梅特定律，描述遥远天体的退行速度。当时的观测结果表明，虽然仙女座星系看起来和银河系如此相像，但它的尺寸远比银河系小得多，于是巴德就产生了怀疑。巴德嗅到了蛛丝马迹，并通过�
