第二部分 理解外部空间 第7章宇宙学
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生活中有一些问题具有一个独特而毫无争议的答案。不幸的是,尽管你已看到许多,但我们的宇宙从整体上看到底是什么样子这一问题不属于刚才那类问题。爱因斯坦的公式允许我们的宇宙具有许多种不同的整体形状,如同你在本书第六部分中将要看到的,我们甚至并不真正了解我们宇宙是由什么构成的。
说了这么多,我们需要时刻提醒自己,物理学,无论至今为止已显示出多大的威力,它从来没有完全与现实相符过。它甚至知道这不是自己的目标,因为如果是,就意味着现实——不管是什么样子——它可以被完全了解。然而这是不可能的。观察与实验,不管多么精确,还是永远只能给你一个大致的回答:误差永远存在,不管有多小。
回过头看,我们甚至知道,我们人类探索自然所倚赖的技术很少与物理学在当时所作的判断保持一致,有时候还会被引入歧途。几百年前,你的某个祖先曾经猜想存在着一种细菌,大小是头发丝直径的千分之一,但他的同时代人没有一个能够证实他的猜想,他甚至可能因为无根据地散布恐慌而被迫害。对于遥远的星系,道理也是一样。如果你那位祖先也预见了它们的存在,他可能不仅会被关起来,还有可能被活活烧死,像乔达诺·布鲁诺一样。能够看到宇宙中足够远的地方并拍摄下遥远星系的必要技术在不到一个世纪前才出现。同样,那些仅仅是验证你在本书最后旅行能看到什么的技术也尚未出现。
话虽如此,但科学进步是一步步实现的,有时候,会跨出巨大的一步,带来理解上的革命。健康的看法依然是,将科学整体看作是帮助我们思考的脚手架,通过一代代人的努力,尽可能地接近我们所生活其中的真相,通过实验来揭示真实中隐藏着的神秘。另外值得指出的是,虽然不管未来会有怎样的变化,但至今为止,在所有人类活动中只有科学才能带领我们发现自然界中的未知。无论人类在大自然面前应该如何保持谦逊,科学,只有科学,能给我们以眼睛来看清我们的身体所无法感知的世界。
那么爱因斯坦的洞见给了我们什么以前所不知道的东西呢?如果他的公式无法解答这些问题,又有什么用?如果我们连宇宙由什么构成都不知道,又如何能够使用这些公式?同大多数的想法相反,科学家们不喜欢复杂的事。他们更喜欢简单。通常,这个游戏的真谛是在一个看起来复杂的环境中找到一个简单的模型。这就是我们需要智慧的地方。那么,让我们看看如何利用简单化,在最大尺度上利用爱因斯坦的看法来解释你所看到的一切。先忽略细节,只看大图景。不管小行星、行星和恒星。与此处我们要讨论的问题相比,它们太小了。我们现在只关心星系,甚至星系群。你就在那里,能够看到它们整体,就像一双远视的眼睛,位于宇宙的尺度,地球、太阳甚至几千亿颗恒星构成的银河系只是一个标记你所在位置的小点。
其他星系在你身边均匀分布,虽然纤维状的结构清晰可见。
很好。
这些很简单。这是你最初的设定。你将这些输入爱因斯坦的方程式中,看看会得到什么。你焦虑地等着,不敢期待太多。然后……奇迹发生了!
正确!在你周围,无论你往哪个方向看,星系以及星系群们互相运动,如同期待中的一样。不仅如此,你周围的宇宙,地球上的可见宇宙的大小正在膨胀。星系间的时空被拉紧,让它们互相离开,不管它们互相之间还有什么运动!不管它们在较小的区域尺度内如何运动,它们就像正在烘烤的蛋糕里的罂粟籽,或者正被充气的气球表面的小点,离地球距离越远,它们往后退得越快。这正是那些你给了他们价值十亿美元的望远镜的朋友们所看到的事实。这就是我们宇宙的膨胀。
通过向爱因斯坦方程式提供一个可见宇宙的简单模型,你就得到了人类历史上从来没有被想象过的结论。这个结论符合你在天空中看到的现象,符合科学家们每天面对的事实:宇宙自身能够(根据爱因斯坦),也的确正在进行(根据观察)演化。
伴随着这种想法,宇宙学——研究我们宇宙的过去与将来的科学——诞生了。在爱因斯坦之前,我们有的只是宇宙创造说,我们面对真实世界的神秘起源时告诉自己的故事,多半是为了不让自己被这个问题折磨得发疯。
现在,我们有了科学,有了一种手段可以帮助我们解读大自然而不是人类自己创作的故事。
看着那些围绕着你的小点演化,你突然意识到利用爱因斯坦的方程式,你的确能够按动你意识的“回放”键让膨胀退回去。
你按下“回放”。
我们可见宇宙这只罂粟籽蛋糕不再膨胀,而是开始塌缩。你那观察着整个宇宙的眼睛看着它变小,遥远的过去正向现在移动,移向你,将未来的图像吞噬。
那个限制着地球上可见宇宙大小的整个球体正在缩小。
缩小。
缩小,直到……
约一百年前,比利时物理学家、耶稣会修道士乔治·勒梅特(Georges Lemaître)决定将宇宙三原则放入一个想象中的相似的决定论宇宙中看它随着时间膨胀和塌缩,他的结论并不吸引人:我们的现实世界,从人类能够思考就认为理所当然的现实,是有开端的。
爱因斯坦的公式很快就让勒梅特和其后许多科学家面临一个很疑惑的观点:我们的宇宙,虽然它一直拥有着它至今依然拥有的能量,却曾经完全没有大小。
在空间上与时间上都没有大小。
一个绝对听起来可笑的想法——就是今天依然如此——但这就是爱因斯坦的公式所告诉我们的。
然而,就我们今天已拥有的知识来说,这是人类理解我们在夜空中观察到的现象所产生的最好想法。
任何声称所有被我们的可见宇宙所包含在内的一切在过去的某个时段曾经大小为零(或非常接近于零)的理论都被称作“(热)大爆炸理论”。
“热”是指只有一个非常热的过去才有可能将我们整个可见宇宙的所有能量容纳压缩在一个非常小的体积之中。太阳中心温度很高,是因为其中所含物质承受着因太阳自身的引力而带来的整个恒星的压力。将整个可见宇宙压缩在太阳大小的球体中,你遇见的是另一层次的热。
“大”是因为它含有整个可见宇宙。
“爆炸”是指在那个紧跟“热”的阶段之后的膨胀看起来就像是发生在过去的一次爆炸,发生在我们宇宙诞生之初,虽然你将会在后面看到,这根本不是什么爆炸。
“非凡的巨大的令人难以置信的超越一切炙烤高温的无处不在的宇宙爆燃”或许能够更好地表达当时发生的事件,但“热大爆炸”更有效,而且更谦逊。
的确应该谦逊,虽然在你通天的眼睛看来,这次大爆炸以地球为中心,但事实并非如此。
现在你应该明白,大爆炸并没有发生于时空中的某个特殊点,而是在一切地方。