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超越大爆炸

时间:2022-02-14 理论教育 版权反馈
【摘要】:但抛开名字不谈,勒梅特的性格十分低调;他回避争论,从未宣称自己最先发现了宇宙大爆炸,结果这一发现最终归功于哈勃。他与教皇的科学顾问取得联系,竭尽全力劝说教皇避免谈论神创论与大爆炸的联系。目前主要由普朗克卫星完成的对遍布宇宙的辐射进行的大量观测又一次完全证实了大爆炸理论。

1927年,一位年轻的比利时科学家、受过耶稣会教育的天主教神父,研究了爱因斯坦的方程,并和爱因斯坦一样意识到,它们预言宇宙必然膨胀或收缩。但这个比利时神父并没有像爱因斯坦那样不明智地否认这个结果,顽固地试图回避它,而是相信这个结果,并寻找天文数据进行检验。

当时“星系”还没有被称作“星系”,它们被称为“星云”,因为从望远镜里看,它们看起来就像天体周围乳白色的小云彩。当时人们还不知道它们像我们的星系一样,是遥远巨大的星体群。但年轻的比利时神父明白,关于星系仅有的这些可用数据实际上支持宇宙正在膨胀这一可能性:附近的星系正在以巨大的速度远离,好像它们是被发射到天空里的;遥远的星系则在以更大的速度远离。宇宙像个气球一样正在膨胀。

两年之后,两位美国天文学家——亨丽爱塔·勒维特(Henrietta Leavitt)和埃德温·哈勃(Edwin Hubble)证实了这一见解。勒维特发现了一种测量星云距离的好方法,确认它们非常遥远,在我们的星系之外。哈勃使用这个方法和帕罗马山天文台巨大的望远镜收集了精确的数据,证实星系正在以正比于距离的速度远离。

但是这位年轻的比利时神父在1927年就已经领悟到了这个关键的推论:如果我们看到一块石头向上飞,表明这块石头之前被放在低处,有东西把它往上抛了。如果我们发现星系正在远离,宇宙在膨胀,表明星系之前相互离得很近,宇宙要更小,有东西使它开始膨胀。年轻的比利时神父提出,宇宙最初是极其微小紧缩的,在一次巨大的爆炸中才开始膨胀。他把这个初始状态称为原始原子,如今被称作“大爆炸”。

图8.1 亨丽爱塔·勒维特

他的名字是乔治·勒梅特(Georges Lemaître)。在法语中,这个名字的发音听起来像是“大师”,对第一个意识到大爆炸存在的人来说,没有什么名字比这个更合适了。但抛开名字不谈,勒梅特的性格十分低调;他回避争论,从未宣称自己最先发现了宇宙大爆炸,结果这一发现最终归功于哈勃。有两件事体现出了他的大智慧,一件与爱因斯坦有关,另一件和教皇有关。

之前提到过,爱因斯坦曾对宇宙的膨胀持怀疑态度。他一直都认为宇宙是静止的,无法接受宇宙膨胀的想法。即使是最伟大的科学家也会犯错误,被先入为主的观念蒙蔽。勒梅特见到了爱因斯坦,试图劝说他放弃自己的偏见。爱因斯坦拒绝了,并回复勒梅特说:“正确的计算,糟糕的物理”。之后爱因斯坦不得不承认勒梅特才是正确的那个。并不是每个人都敢于反驳爱因斯坦。

图8.2 乔治·勒梅特

同样的事情又发生了一次。爱因斯坦引入了宇宙常数,我在第三章中描述过,是一个非常小但对他的方程很重要的修正,他(错误地)希望使方程与静态的宇宙相容。当他不得不承认宇宙不是静态时,又把矛头指向了宇宙常数。勒梅特第二次劝说爱因斯坦改变主意:宇宙常数虽然没有使宇宙成为静态,但它本身是正确的,没有理由把它从方程中去除。这一次勒梅特又做对了:宇宙常数产生了宇宙膨胀的加速度,这一加速度已经被测量出来了。又一次,爱因斯坦错了,而勒梅特是正确的。

当宇宙形成于一次大爆炸的观念开始被接受后,教皇皮乌斯十二世在一次公开演讲(1951年11月2日)中宣称,这个理论证实了《创世记》中关于创世的描述。勒梅特对教皇的观点十分担忧。他与教皇的科学顾问取得联系,竭尽全力劝说教皇避免谈论神创论与大爆炸的联系。勒梅特认为把科学和宗教这样混淆十分愚蠢:《圣经》对物理学一无所知,物理学也同样不了解上帝。皮乌斯十二世接受了劝诫,天主教会再没有公开提到过这个话题。不是每个人都敢于反驳教皇。

当然这一次勒梅特也是正确的。现在有很多讨论都提到一种可能性,那就是:大爆炸不是真正的起源,在它之前可能有另一个宇宙。想象一下,如果勒梅特没有劝阻教皇,结果大爆炸和创世成了同一个东西,天主教会如今会处于多么尴尬的境地。“要有光”不得不改成“再把灯打开”!

要对爱因斯坦和教皇提出质疑,让他们二人都确信自己犯了错误,并且两次都是对的,确实是种成就。他无愧“大师”之名。

如今证据几乎是压倒性的:在非常遥远的过去,宇宙是极其炙热与致密的,并从那时起就开始膨胀。我们可以从它最初炙热、紧缩的状态开始,详细重构宇宙的历史。我们知道原子、元素、星系和天体是如何形成的,如何发展成我们今天所见的宇宙的。目前主要由普朗克卫星完成的对遍布宇宙的辐射进行的大量观测又一次完全证实了大爆炸理论。我们相当确切地了解了在过去的一百四十亿年间,宇宙从一个火球开始,在大尺度上都发生了什么。

想一想,最初“大爆炸理论”这个说法是由这个理论的对手发明的,用来嘲笑这个想法看起来十分荒谬……然而最终,我们都被说服了:一百四十亿年以前,宇宙确实是一个被压缩的火球。

但在这个最初炙热紧缩的状态之前发生了什么呢?

让时间倒流,温度会升高,物质的密度和能量也增大。到一百四十亿年前的某一点达到了普朗克尺度。在那一点,广义相对论的方程不再适用,因为此时无法忽略量子力学。我们就此进入量子引力的领域。

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