下载《大爆炸简史》西蒙·辛格 | 一场伟大的比赛,赛场就是宇宙本身

大爆炸模型可以说是20世纪最重要和最辉煌的科学成就。然而,大爆炸模型在其构思、发展、探索、检验、证明并最终接受的方式上也可以被认为是非常普通的。在这些方面,它与许多不那么吸引人的科学领域有着很多共同之处。大爆炸模型的发展是科学方法付诸实施的一个典型例子。

如同其他许多科学领域,宇宙学始于试图解释一些以前一直属于神话或宗教领域的东西。最早的宇宙学模型有用,但并不完美,因此很快就表现出与观察的不一致和不准确的缺陷。新一代宇宙学家提供了一个可供选择的模型,并向着有利于他们宇宙观的方向推进,而科学界则捍卫现有的模型。无论是守成者还是挑战者都认为自己正确,并利用理论、实验和观察结果来为自己辩护,有时一项证明工作在取得突破之前需要耗上几十年的时间,但一个偶然的发现就可能在一夜之间改变科学的景观。双方都利用了最新的技术——从望远镜到卫星——来努力寻找能支持自己模型的关键证据。最终,形势变得对新模型十分有利,宇宙学迎来了一场革命,科学界终于接受了新模型,抛弃了旧模型。以前批评新模型的大多数批评家开始确信并改变了他们的立场,范式的转变终于完成。

重要的是,在大多数科学争论中,范式并没有转变。通常情况下,一个新提出的科学模型很快被发现是有缺陷的,于是既有模型仍被当作对实在的最佳解释而得到保留。这种情势是必需的,否则科学将不断修正其位置,这样它在探索和理解宇宙方面将变成一种不可靠的框架。然而,当范式转移已然出现时,它便是科学历史上最非凡的时刻。

从旧范式到新范式的道路可能十分漫长,需要经过几十年和几十位科学家的奉献。这产生了一个有趣的问题:谁对新范式的贡献最大?罗尔德·霍夫曼和卡尔·杰拉西在戏剧《氧气》中对这个问题做了初步探索。这部剧作围绕如何颁发“追认诺贝尔奖”这个虚构的奖项(授予诺贝尔奖基金会成立之前所诞生的科学发现)展开。委员会开会,很快同意这个奖项应授予氧气的发现。但委员们对谁最值得获此殊荣意见不一。是瑞典药剂师卡尔·威廉·舍勒,因为他第一个合成并分离出这种气体?还是英国一个神论派教长约瑟夫·普里斯特利,因为他第一个公布他的发现并提供了研究的细节?抑或是法国化学家安东尼·拉瓦锡,因为他正确理解了氧气不仅仅是空气的一个版本(“消炎的空气”),而是一种全新的元素?这部戏详细讨论了优先权的问题,通过时间回溯让每个人都来为自己辩护,从而反映出荣誉归属的复杂性。

如果说谁值得荣获发现氧气的殊荣这个问题很难回答的话,那么要认定是谁发明了宇宙大爆炸模型则几乎是不可能的。发展、检验、修改和证明完整的大爆炸模型需要经过众多的理论、实验和观测阶段,每个阶段都有自己的英雄。爱因斯坦通过他的广义相对论来解释引力值得肯定,没有这一工作,任何严肃的宇宙学模型都不可能发展起来。然而,最初他却反对进化宇宙的思想,所以这一思想在勒迈特和弗里德曼那里才发展成大爆炸理论。而且如果不是因为哈勃的观测结果证明了宇宙在膨胀,他们的工作也不会被认真对待。但哈勃却声称,他不愿意从自己的研究结果得出任何宇宙学的结论,从而使大爆炸的皇冠减色不少。要不是伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼在理论上的贡献,以及赖尔、彭齐亚斯、威尔逊和COBE团队的观测工作,大爆炸模型可能依旧处于低迷状态。甚至弗雷德·霍伊尔——稳恒态模型的主创者——在核合成理论上的贡献,无意中也帮助支持了大爆炸模型。显然,大爆炸模型不能归功于某一个人。

事实上,本书提到的仅是对大爆炸模型的发展有贡献的人群中的一小部分人,因为我们不可能在短短几百页的篇幅内对稳恒态与大爆炸的争论给出一个完整、明确的说明。要对对大爆炸模型的发展有贡献的每一个人都做出公正的评价,那么本书的每一章的每一节都需要扩展成单独一卷才有可能。

除了篇幅的限制,这种对大爆炸模型的历史的说明还受到在文中尽量减少数学方程的数量的限制。数学是科学的语言,并且在许多情况下,对一个科学概念的完整、准确的解释只有通过给出详细的数学描述才有可能。但是,通常我们可以单纯借助于文字和几张图表来说明关键要点,从而得到对科学概念的一般性描述。事实上,数学家卡尔·弗里德里希·高斯就曾强调过“概念,而不是符号”的价值。

1992年4月24日见报的对大爆炸理论的文字解释和图片说明已经提供了这样的证据。这是在COBE新闻发布会后的第二天,《独立报》在头版以一张简单的图(见图103)总结了大爆炸模型的所有基本要素。图中的某些时间和温度值不同于我们在前面章节中引述的值,这是因为理论和观测到1992年已有所改进。数量仍只是个大概,但它们在很大程度上将继续代表着今天的宇宙学家的共识。

《独立报》的图简洁地总结了我们当前对大爆炸宇宙的理解。首先,正如它所指出的:“所有的物质和能量曾被压缩为一个点”,然后有一个全能的大爆炸。术语“大爆炸”暗示着某种爆炸,这不是一个完全不恰当的比喻,但有一点应指出,大爆炸不是指空间内的爆炸,而是空间的爆炸。同样,大爆炸也不是指某个时间点所发生的爆炸,而是时间本身的爆炸。空间和时间都在大爆炸的瞬间产生。

在第1秒之内,超热宇宙急剧膨胀并冷却,其温度从几万亿度下降到几十亿度。宇宙中主要有质子、中子和电子,它们都沐浴在光的海洋里。在接下来的几分钟内,质子,相当于氢原子核,与其他粒子反应形成轻的原子核(如氦核)。氢氦在宇宙中的比例在最初几分钟内就基本上被固定下来,并与我们今天所看到的相一致。

宇宙继续膨胀和冷却。现在它包含简单的原子核、高能电子和大量的光,一切都处于相互散射的过程中。经过大约30万年,宇宙的温度已经冷却到足以使电子慢下来,被核束缚住,形成完全成熟的原子。这种原子有效阻止了光的进一步散射,自此光在宇宙中畅通无阻的状态在很大程度上受到遏制。这种光就是所谓的宇宙微波背景(CMB)辐射,一种由伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼预言,并为彭齐亚斯和威尔逊探测到的大爆炸的光的回声。

经过COBE卫星对宇宙微波背景辐射的详细测量,我们知道,经过30万年后,宇宙中有些地方的密度稍高于平均密度。这些区域逐渐吸引更多的物质,变得更加致密,从而在宇宙大约10亿岁的时候形成了第一批恒星和星系。恒星内部的核反应继续形成中等重量的元素,而最重的元素则是在恒星死亡前的剧烈挣扎条件下形成的。正是由于在恒星上形成了诸如碳、氧、氮、磷和钾等元素,才最终使得演化出生命成为可能。

到今天为止,宇宙已有150亿年的历史。《独立报》上的插图将人类的出现置于顶层,有点谄媚的意味,因为它夸大了我们在宇宙历史中的角色。虽然生命在地球上已存在了数十亿年,但人类的出现只有10万年左右。要将他置诸其间,如果宇宙的历史用张开双臂后两个指尖之间的长度来表示这个时间表的话,那么人类存在的时间仅相当于指甲锉刮一下的宽度。

重要的是要记住,这个创生和演化的历史是有具体的证据来支撑的。物理学家们,如伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼等,进行了详细的计算,估计了早期宇宙的环境,并预言了早期宇宙如何会在当前的宇宙中留下自己的印记,即氢氦比和宇宙微波背景辐射。这些预言都惊人的准确。正如诺贝尔奖获得者、物理学家斯蒂芬·温伯格所指出的那样,大爆炸模型绝不是一种想入非非的猜测:“我们的错误不在于我们把理论看得太认真,而是我们没有给予它足够的重视。我们总是很难意识到我们在办公桌上玩弄的这些数字和方程与现实世界的联系。更糟糕的是,我们通常会认为,某些现象只是不适合可敬的理论和实验上的努力。伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼之所以比其他人更应该得到巨大的荣誉,就在于他们非常重视早期宇宙的问题,在于他们用已知的物理定律去说明最初3分钟。”

当一家报纸准备在头版对一个宇宙学模型进行广泛报道时,正如亚瑟·爱丁顿所言,这是个强烈的迹象:大爆炸模型已经从理论研讨会上搬到了科学的陈列室里。然而这并不意味着这个模型就是完美无缺的,因为总是存在一些悬而未决的问题和一些细节需要处理。本篇结语的其余部分将对这些仍待解决的问题和细节做一简述。几段文字不可能有望传递出这些问题的细微之处、深度和真正的意义,但它们应能表明,虽然广义上说,大爆炸模型的概念已被证明是正确的,但要让所有的宇宙学家都信服,还将有很长的路要走。

例如,我们知道,今天的星系分布是大爆炸后大约30万年里宇宙密度变化的结果,但这些密度变化的起因是什么?另外,根据爱因斯坦的广义相对论,空间可以是平的,也可以向内弯曲或向外弯曲。在平直的宇宙中,光线可以永远走一直线,就像球在一个平坦、光滑的平面上滚动,但在弯曲的宇宙中,光线可以沿着环形轨道行进并返回到其出发点,就像一架飞机绕地球赤道飞行一周。根据天文观测,我们的宇宙似乎是平直的,因此就有这么一个问题:为什么我们的宇宙是平直的,什么时候它可能是弯曲的?

暴胀理论为这两个问题——密度变化和宇宙表观平直性的起源——提供了一种可能的解释。这一理论是由阿兰·古斯在1979年末发展出来的。当他第一次想到宇宙的暴胀这个概念时,古斯简直惊呆了,他很快在他的笔记本上写下“壮观的实现”。这不是轻描淡写,因为暴胀看起来就像是向大爆炸模型添了点有价值的东西。有各种版本的暴胀,但其本质是这种理论提出了在宇宙最早的瞬间的一种快速扩张的阶段,这个阶段大约在10-35秒后结束。在这个暴胀时期,宇宙的体积大约每10-37秒扩大一倍,这意味着到这一阶段结束,宇宙体积大约倍增100倍。这听起来好像不是很多,但一个著名的寓言故事说明加倍的力量。

这则寓言讲述的是一位波斯大臣是怎样向他的苏丹讨米的。他希望能这样来给他米:在国际象棋棋盘的第一个方格内放一粒米,以后每个方格内放的米粒数加倍,即在第二个方格放2粒米,然后是4粒、8粒、16粒等等。苏丹同意了,认为最终的米粒数应该不会太多。但实际上他因此破产了,因为棋盘的最后一格将有9223372036854775808粒米。所有方格内的米粒数的总和将几乎是这个数的两倍,这远远超过了当今全球大米的年产量。

所以,暴胀将在瞬间使宇宙的体积大大扩充。在我们今天看到的较为舒缓的膨胀之前,尤其是在0.00000000000000000000000000000000001秒之前,暴胀将对宇宙的发展产生重大影响。主要是,新生儿宇宙的密度虽然只有微不足道的变化,但暴胀会放大这些微小变化,从而导致30万年后为天文学家所知晓的显著变化。这些变化,特别是高密度团块,随后又成为星系形成的种子。

暴胀的另一个后果是,暴胀前并不平坦的宇宙将成得非常平坦。台球的表面显然不是平的,但如果让它的体积反复倍增27次,那么它的体积将和地球一样大。地球仍具有弯曲的表面,但它的弯曲要比一个台球的小多了,按人的尺度看,它的外观看上去非常平坦。同样,暴胀宇宙也会给出平坦的印象,这就是天文学家今天看到的景象。

副标题: 一场伟大的比赛,赛场就是宇宙本身
作者: [英] 西蒙·辛格
译者: 王文浩

本书主要讲述“大爆炸”理论作为宇宙的开端被逐渐接受的过程,介绍了一些鲜为人知的人物对这个理论所作的努力。这是一场惊心动魄的辩论过程,伽莫夫用打油诗反击稳恒态已过期,霍伊尔则继续嘲笑大爆炸模型和那些相信它的人,最终大爆炸理论以良好的预言能力表现出了说服力和包容性。

作者简介 · · · · · ·

西蒙·辛格,剑桥大学粒子物理博士学位获得者,前BBC节目制作人,他执导的纪录片《费马大定理》获得英国电影学院奖(BAFTA),同名科普读物成为畅销书。同样畅销的还有《密码本》(The Code Book),这是BBC专题系列《保密的科学》的底本。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注