戴斯特和爱因斯坦

第二章　斯里弗、戴斯特和爱因斯坦

科学版的《创世记》源于1913年，当斯里弗——不用说，就是当他在寻找别的东西时——发现我们附近的十几个星云，都在以高于200万英里的时速离我们如飞而去。斯里弗的这个发现是宇宙膨胀的第一条线索。

1914年，斯里弗在美国天文学会（American Astronomical Society）在伊利诺斯州埃文斯顿（Evaston,Illinois）的会议上报告了他奇特的发现。曾任斯里弗指导教授的约翰·米勒（John Miller）当时也在场。1937年，米勒向曾任弗拉格斯塔夫（Flagstaff）市洛厄尔（Lowell）天文台台长的约翰·哈尔（John Hall）描述当年斯里弗作报告的情况，而斯里弗的发现原来就是在洛厄尔天文台作出来的。后来哈尔博士又向我谈起此事。当年斯里弗报告他的数据时态度非常谨慎谦卑，但他的幻灯片清楚地揭示了无可否认的“红移”（red shift）现象，就是从这些遥远的星云发射的光线的颜色变得偏红，在有经验的人看来，这意味着这些遥远的星云正在以高速离开地球。

米勒教授说，“于是，我在所有科学会议上从未见过，以后也不会见到的事就发生了：所有的人都站起来喝彩。”虽然当时在场的天文学家并不明白斯里弗的发现到底有什么意义，但他们都从心底感觉到这是一项惊天动地的伟大发现。在斯里弗的听众中有一位名叫哈勃的人，以后我们要看到，就是他追随着斯里弗的线索去研究，终于绘制出一幅新的宇宙图像。

几乎是与此同时，在已经卷入第一次世界大战的大西洋彼岸，爱因斯坦于1917年发表了广义相对论的一些数学方程式。一位荷兰的天文学家戴斯特（Willem de Sitter）立刻运用这些方程式进行运算，随后宣告这个宇宙是在爆炸中，所以太空中的星云彼此以高速分离开去。这正与斯里弗所观察到的现象完全符合。但是因为战争的阻隔，大概戴斯特当时并不知道斯里弗的那些观察。

连爱因斯坦本人也并未注意到他的理论验证了一个正在膨胀中的宇宙理论。后来又有人发现，爱因斯坦原来还错过了用他的方程式指出宇宙膨胀的另一解释的机会。这一次是由一位俄国数学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedman）发现的。他指出爱因斯坦犯了一个小学生算术上的错误，再度错过了正确的答案。原来，爱因斯坦在计算中竟然用零来作除数！这是数学中无论如何不该发生的错误。当弗里德曼矫正这错误之后，爱因斯坦所错过的答案就马上浮出水面了。

说句闲话，爱因斯坦似乎为弗里德曼发现了他的错误而恼火。因为当弗里德曼写信给他说明新的答案时，爱因斯坦竟然不理不睬，表现出罕见的无礼。然后，到1922年弗里德曼在德国的《物理学学报》上发表了他的结论时，爱因斯坦竟向学报投了一封短函，称弗里德曼的结论为“可疑”，说弗里德曼是错的。但事实证明是爱因斯坦错了。

爱因斯坦的短函在学报上刊登不久，弗里德曼给他又写了一封信，小心翼翼地指出爱因斯坦这次肯定又弄错了。弗里德曼语气中对这位举世闻名的科学家充满敬意，显然不愿向他挑战。每一位曾与他的教授吵过架而招来工作危机的年轻人都能想象出弗里德曼写信时恐惧的心情。他纠正了爱因斯坦的代数计算后说：“最尊敬的教授，本信中的计算是否正确，请不吝赐教。”弗里德曼分明感到他的发现是非常重要的，因而鼓足勇气，继续写道（他还记得爱因斯坦上次的缄默），“我特别请求您不要迟延回信，”最后他露出了“利齿”，“倘若您发现我的计算是正确的话，……或许您会写信来更正。”

图2.1　开普顿（Jacobus Kapteyn，荷兰天文学家，1851—1922）的宇宙

爱因斯坦终于承认了他的错误。1923年他写信给德国的《物理学学报》说，“我反对弗里德曼是由于一个计算上的错误。现在我认为弗里德曼的结论正确并很有启发性。”爱因斯坦终于承认了追随自己思想的后辈的合法性。

话题再回到戴斯特，在第一次大战之后，他预测的宇宙膨胀的理论给一些天文学家很深的印象。他看出了斯里弗所发现星云向外移动现象更广泛的意义。一位英国的天文学家阿瑟·埃丁顿（Arthur Eddington）把戴斯特的成就拿来借题发挥，大吹大擂。哈勃后来也承认，主要是戴斯特结论的影响使他步向斯里弗的后尘，研究移动的星云。

大约同时期，在科学家中开始出现烦躁的迹象。爱因斯坦首先发出抱怨。宇宙爆炸的想法使他不安，因为那意味着宇宙有一个开始。在他给戴斯特的一封信中——多年后在莱顿的一箱旧文件中找出来的——爱因斯坦写道：“这个情况（指膨胀的宇宙理论）使我恼火。”他在其他的信件中提及膨胀的宇宙理论时又说：“承认有这种可能性似乎毫无意义。”

用这种感情化的口气来讨论一些数学的方程式真有点奇怪。我猜想，“时间有一个开始”这观点之所以刺激爱因斯坦，是由于它在神学上的意义。我们知道爱因斯坦对上帝有明确的感受，但他的“上帝”并非一位创造者或“原动者”（the Prime Mover）。对爱因斯坦来说，上帝的存在是由自然律证明的，意思是说，宇宙是有规律的，而人类可以发现这规律。当爱因斯坦1921年来到纽约的时候，一位犹太教师打电报问他：“你相信有上帝吗？”爱因斯坦回答说：“我相信的是斯宾诺沙的上帝（Spinosa's God），就是在一切存在的事物规律的和谐中显现自己的那一位上帝”。

回到宇宙膨胀的故事，斯里弗继续他繁琐的工作，收集了更远星云的光并测量这些星云的速度。有少数的天文学家作了类似的测量，并证实了他的数据是准确的，但大致上他一直是在孤军奋斗。到1925年他已测量了42个星云的速度。几乎所有的星云都以高速离开地球。斯里弗的成就使他跻身在一小群人之列，这群人不管是偶然或有意，都曾发现那“大计划”（Great Plan）的一些部分。

图2.1中是几位天文学家在威斯康星州芝加哥大学叶凯士（Yerkes）天文台的留影。最右边的是斯里弗，面向左的唯一不戴帽子的人是开普顿。开普顿是早期的宇宙探测家之一，他计算了天空各方位可见的星宿数目后下结论说，我们的太阳系位于银河系的中心，可能也是宇宙的中心。这种想法被称为“开普顿的宇宙”，使很多天文学家，包括开普顿本人也因此感到不安。

图2.2　爱因斯坦　埃伦费斯特　戴斯特　阿瑟·埃丁顿　洛伦茨

图2.3　爱因斯坦（左）与戴斯特（右）

今天我们知道太阳离我们银河星系的中心其实很远。斯里弗后来找到了开普顿错误的原因：在星际之间漂浮着的浓厚的太空尘云挡住了位于银河星系实际中心众星的光辉，使他以为我们是在银河星系的中心。

虽然斯里弗对星云运行的测量证实了宇宙在膨胀，但当时并没有人能马上理解这事。戴斯特（图2.3右）数年后从理论上认识到了它的重要性，自此宇宙膨胀的理论就一跃成为头条新闻。这故事应该从1916年说起，当时住在柏林的爱因斯坦（图2.3左）寄了一份有关他广义相对论方程式的文章给住在莱顿的戴斯特。后者在研究爱因斯坦那些方程式时发现它们有一个关于宇宙膨胀的解答。爱因斯坦却不喜欢这答案，因为它意味着宇宙有个突发性的开始。但是很多天文学家却对这个万物互相分离的“戴斯特的宇宙”发生了兴趣，他们便开始设法去探察这宇宙的膨胀。

顺便提一下，戴斯特还引起了一连串的事件，使爱因斯坦扬名于世。1916年当戴斯特收到爱因斯坦相对论的文章之后，曾经将它转寄给一位英国的天文学家阿瑟·埃丁顿（图2.2左坐者）。埃丁顿也是一位卓越的数学家，他很快就掌握了理论的要点，称之为“思想的革命”，并开始筹备1919年日蚀来临时的探测，从而证实了爱因斯坦的想法。这个探测度量并证实了地心吸力使光线弯曲的现象——就是相对论所预告的现象。爱因斯坦的相对论这样戏剧化地被证实从而使他成为世界最著名的科学家。

图2.2右坐者是荷兰的物理学家亨德里克·安东·洛伦茨（Hendrik Antoon Lorentz）。爱因斯坦认为洛伦茨是他所认识的最伟大的科学家之一。1923年爱因斯坦多次访问莱顿，本照片摄于其中的一次访问。当年爱因斯坦多半住在保罗·埃伦费斯特（Paul Ehrenfest，1880-1933，荷兰物理学家）的家中（图2.2正中者）。埃伦费斯特是他最亲密的朋友之一。

爱因斯坦于1932年访问加州时与戴斯特见面。图2.3是他们在黑板前讨论戴斯特的宇宙膨胀理论。爱因斯坦1917年与戴斯特首次通信后，多年来一直在排斥戴斯特的理论。但哈勃所观察到的星云运行速度与距离终于说服了爱因斯坦，使他承认膨胀的理论是正确的。爱因斯坦在临死前，曾告诉一位探望他的人说，他终于接受了宇宙“有一个开始”的理念。