在爱因斯坦肩上观看宇宙

李然（狐狸先生）

北京大学天文系博士

中科院国家天文台星云计划研究员

阅读科学家的趣闻轶事，并不能帮助我们真正理解科学家。科学家很大程度上被他的科学研究定义。《海滩上的爱因斯坦》这本书不是爱因斯坦的传记，而是对过去一百年建立在爱因斯坦相对论之上的物理世界的梳理。书的题名可能来自牛顿对科学探索的比喻：真理的大海无穷无尽，而科学家只是在海滩上拾贝壳的孩子。爱因斯坦和牛顿并称为有史以来最伟大的两位物理学家，他们恰好也对真理大海中同样的问题感兴趣：那就是引力的秘密。

人类很难天然地感受引力的存在。虽然我们知道自己跳起后总会回到地面，也知道苹果成熟只会从树上落下而不会飞上蓝天，但很少有人能够自发地意识到，这些现象背后的原因是地球的吸引力。更少有人能够自发地意识到，这种吸引力不仅仅根源自大地，而是存在于万物之间。这是因为引力在日常生活中太微弱了。重力是引力在日常生活中几乎唯一的体现。

但在天文尺度上，引力却是最重要的力量。太阳通过引力约束它的行星围绕它运动。然而，直到牛顿发表他著名的万有引力定律前，没有人将“天庭”中的天体运动和人类世界的苹果落地联系在一起。在牛顿之前，开普勒已经给出了对行星运动的精彩描述。利用开普勒的三大定律，天文学家们可以预测行星在未来的运行。但是，开普勒并没有能够像牛顿一样看到行星运动规律之上更本质的规律：任意两个物体之间存在引力，且引力的大小反比于物体距离的平方。牛顿的发现为宇宙中天体的运动定下了普适的规则，一旦设置好天体的位置和初始的速度，天体系统的演化将完全按照万有引力制定好的脚本运行。

牛顿的万有引力定律在太阳系内取得了巨大的成功。然而在整个宇宙尺度上，牛顿的规则却会引入悖论。在牛顿的世界里，宇宙时空是绝对的，万物在宇宙空间中来来去去，犹如旅店的过客。同时，牛顿相信在宇宙尺度上，天体的分布是均匀的。宇宙没有中心。这在今天被称作“宇宙学原理”。然而，牛顿自己的引力定律却无法给出这样的宇宙一个稳定的解。牛顿的宇宙会因为引力而失去平衡。

爱因斯坦的广义相对论优雅地解决了这个问题。在爱因斯坦的理论中，引力本质上是时空的弯曲。爱因斯坦的宇宙空间不是恒常不变的，引力的存在可以弯曲时空。在弯曲时空中的物体会感受到这种扭曲，运动行为因时空扭曲的不同而不同。空间和时间在这个理论中总是联系在一起。一个地方如果引力越强大，时间的膨胀也越厉害。约翰·惠勒曾经这样描述爱因斯坦的理论：物质告诉时空如何弯曲，而时空告诉物体如何运动。

从二十世纪二十年代末开始，物理学家们开始试图站在爱因斯坦的广义相对论之上，建立新的宇宙理论。人们发现爱因斯坦的宇宙可以在保持宇宙学原理的情况下展现不同的形态。根据宇宙中物质组成的不同，宇宙空间可以处处弯曲，像是三维球面，有限而无边，也可能是平直的，无边又无限。宇宙空间有可能像面包一样膨胀，使得其中的星系相互远离对方，也有可能收缩，最终回到极高温度、极高密度的状态。

天文观测的进步使理论家们的预言有机会得到验证。利用当时最好的望远镜，埃德温·哈勃发现几乎所有的星系都在退行，远离银河系，而它们的退行速度正比于它们到银河系的距离。这个规律今天被称作哈勃定律，是广义相对论宇宙学的第一个观测基石。哈勃的发现表明如果爱因斯坦的广义相对论成立，那么我们所在的宇宙空间很可能是处处均匀膨胀的。这种膨胀方式会使得宇宙好像一块被烘焙的葡萄干面包。随着面包的膨胀，葡萄干彼此渐渐远离，开始相距越远的葡萄干，彼此远离的速度也就越快。

宇宙的膨胀同时意味着我们的宇宙可能有一个开端，因为逆着时间的箭头回溯，宇宙的早期必将是高温高密度的状态。今天人们观察到的广袤宇宙空间，完全来自于早期一小块区域的膨胀。宇宙早期一切物质结构都不存在，宇宙中的化学元素，恒星和行星等天体，星系和星系团等结构，都是随着宇宙的膨胀演化而来的。二十世纪四十年代末到五十年代初，俄裔物理学家伽莫夫和他的学生用物理的语言第一次描述了这样的宇宙演化。今天，这一理论被冠以我们熟知的“大爆炸宇宙学”的名称。

今天不同的宇宙观测都支持大爆炸宇宙学理论。其中，1965年，彭齐亚斯和威尔森发现的“微波背景辐射”是这个理论最坚实的支持。这一辐射处在微波波段。利用射电望远镜，这一辐射在天空各个方向都可以观察到。它的性质完全符合宇宙大爆炸理论对大爆炸的描述，几乎确定无疑就是宇宙大爆炸的余辉。

爱因斯坦是现代宇宙学的第一个推动者。他为今日的宇宙学奠基。但在宇宙学的具体构建过程中，爱因斯坦参与甚少。一个变化的宇宙对爱因斯坦本人来说有点不符合直觉。早期的爱因斯坦甚至曾试图通过在广义相对论方程中加入著名的“宇宙学常数”构造出一个稳定的宇宙模型。另一方面，爱因斯坦也许从未对宇宙具体的命运着迷，他的后半生研究奉献给了“统一场论”，他试图创立统一的理论框架来描述引力和电磁力。爱因斯坦没能在这方面再次做出突破，但他致力的方向仍然是今天物理学家认为最重要的方面。当然，不同于爱因斯坦，今天的理论家意识到更重要的问题不在于广义相对论和电磁学，而是是广义相对论和量子力学之间的结合。

体会宇宙学的研究如何一步步建立在爱因斯坦简洁优雅的理论之上是阅读本书的最大乐趣。全书文理清晰，行文轻盈，以简洁的步调将这一过程展现给读者。我将此书推荐给对宇宙感兴趣的读者。