宇宙本身是天文学研究的最大目标。目前,大爆炸宇宙理论,也就是宇宙从一个极小的点上诞生,一直膨胀成长为现在的宇宙,这已经是经过许多观测证据检验和支持,被科学界公认的宇宙演化理论。大爆炸宇宙学诞生于不到一百年前,被科学界公认接受也才五十多年,因此在公众里还有不少人误解,以为它仅仅是一种科学假说而已。
比如2017年底在一次科普活动中,有一位年长的院士参与我们的座谈。有观众提问,为什么说是宇宙大爆炸?这位院士说,在他年轻的时候学习毛选,毛主席从哲学家的角度认为宇宙是无穷无尽的,哲学家的观点是那样的;哲学家和科学家各有不同的观点。其实他这个解释是个典型的误解。从根源上来说,无限宇宙不是来自哲学观念,而是来自牛顿力学的推测,是已经被“大爆炸宇宙学”推翻的观念。
1、无限宇宙是牛顿的推测
牛顿在1687年出版了他的划时代名著《自然哲学中的数学原理》,提出了运动三定律和万有引力定律,证明月亮围绕地球运动和苹果落地遵守同样的科学规律,从而第一次把天上地下的运动统一起来,改变人们对自然界的认识。《原理》的第二版编辑、剑桥大学三一学院院长理查德·本特利向牛顿提出了一个问题,万有引力可以解释太阳系的运动规律,那么如果应用于整个恒星世界,在吸引力的作用下,它们是否会被撕裂或撞到一起导致宇宙的毁灭?
![天文学中早已被推翻,但还被普通民众视为常识的理论](http://p1.nanmuxuan.com/images/49/4b79f2b21eb69b32.jpg)
牛顿仔细思考了这个问题,在回信中,他认为如果仅有万有引力主导的话,我们的宇宙看起来又是永恒的和静态的,那么宇宙应该是无限而且完全均匀的;在这样条件下,任何一颗恒星都会受到各个方向均等的引力作用,所有的力都是平衡的。因此,牛顿推测,宇宙空间无穷无尽,时间均匀流动,没有起点也没有终点。不过,牛顿也承认,尽管在数学上来说,宇宙应该是无限的,但这种理想模型是不稳定的,恒星略微晃动,就会引起宇宙的崩塌。所以他只好祈求“神的力量”偶尔干涉一下,使宇宙保持稳定。
对于牛顿和当时的人们来说,这种绝对时空、无限宇宙是可以接受的。毕竟,永恒这个概念是符合古希腊以来的哲学观念,数千年来的星空也总是那样平静安详,不曾发生(显著)的变化,宇宙看起来永远都是那个样子。因此,虽然牛顿的解释并不完善,虽然哈雷很快就发现了恒星本身也在发生相对运动,随着牛顿物理学的发展壮大,“无限宇宙观”还是被普遍接受,进而成为包括马克思在内的哲学家们讨论世界规律的基础。
后来在笔者从事科学传播活动中,也碰到很多年长者就像开头说到的那位院士一样,对“宇宙大爆炸”困惑不已。因为这跟他们(包括我)在求学时代学到的马哲里“无限宇宙”观念是相违背的——其实它的根源不是哲学,而是牛顿自己也不敢肯定的一种推测。
2、为什么是宇宙大爆炸
“无限宇宙观”既然被普遍接受,也就有了它的生命力,甚至反过来影响科学家们对宇宙的讨论。即使到了20世纪初,爱因斯坦也“深受其害”。
爱因斯坦在1905年发表的狭义相对论推翻了牛顿“绝对时空”,证明时间和空间的性质并非像牛顿设想的那样,而是彼此有联系的,从而创造了“时空”(spacetime)这个词;1915年完成的广义相对论,又更新了引力理论,证明牛顿万有引力定律只是在引力不太强的条件下适用。广义相对论很快就有了两个强有力的证明,一是爱因斯坦亲自计算解释了困惑天文学家数十年的水星近日点进动问题,二是1919年爱丁顿对日全食的观测验证了爱因斯坦关于星光从太阳旁边经过时的路径偏折现象,在两个问题上,广义相对论的计算结果都是完美的,牛顿理论都不能胜任。
但在“宇宙”这个问题上,爱因斯坦却犯下了“最大的错误”。在1915年的时候,爱因斯坦就已经意识到,就像牛顿认识到的一样,在广义相对论框架下,宇宙同样不应该是静态的。但是爱因斯坦仍然把牛顿时代形成的“无限宇宙”作为了默认的事实,在1917年的论文《使用广义相对论的宇宙学思考》(Cosmological Considerations in the General Theory of Relativity)中,他往方程里添加了一项“宇宙学常数”。这是一个反引力项,从而跟物质之间的引力达到平衡,让宇宙“稳定”下来。爱因斯坦这个“画蛇添足”的动作,让他跟发现“宇宙不稳定”失之交臂。
不过,爱因斯坦这个错误是可以理解的。毕竟,在这个时候,就像牛顿一样,科学家们还没有发现星空里的剧烈变化。在这个时期,揭示恒星演化规律的“赫罗图”才刚刚发表,天文学家们还没有理解恒星究竟是如何演化的,连它们的能量来源都不知道;而且,从宇宙尺度上来说,组成宇宙的基本“团块”并不是恒星,而是星系——一直到1924年,哈勃才通过对造父变星的观测证明仙女星云是河外星系,是跟我们银河系同等量级的恒星集团。
![天文学中早已被推翻,但还被普通民众视为常识的理论](http://p1.nanmuxuan.com/images/9d/f8d1f010ef85316d.jpg)
1929年,哈勃通过对几十个河外星系的距离和远离我们的速度研究发现,二者之间存在正比关系(即哈勃定律)——星系看起来都在离我们远去,而且距离越远,远离的速度越高。这一结论表明,包括银河系在内,整个宇宙正在膨胀;从任何一点上,观测者都可以看到完全一样的膨胀;这也就意味着,在过去某个时间,整个宇宙曾经聚集在一起。这是20世纪天文学最重要的发现。
![天文学中早已被推翻,但还被普通民众视为常识的理论](http://p1.nanmuxuan.com/images/15/63aa55745de6c887.jpg)
![天文学中早已被推翻,但还被普通民众视为常识的理论](http://p1.nanmuxuan.com/images/1f/8a0c7415d459f82f.jpg)
1931年,爱因斯坦在哈勃陪同下参观了哈勃工作的威尔逊山天文台和望远镜
3 、宇宙观念的更替
跟爱因斯坦不同的是,俄国物理学家亚历山大·弗里德曼在1922年,比利时物理学家乔治·勒梅特在1927年就接受广义相对论方程所揭示“宇宙不稳定”。弗里德曼提出了宇宙演化的可能性,勒梅特更是提出了“原初原子”的概念,也就是宇宙是从极小体积里高温高压状态的物质开始膨胀和演化的。哈勃发现宇宙膨胀之后,爱因斯坦也坦然接受了这个结果,参与到对于新宇宙模型的讨论中。
![天文学中早已被推翻,但还被普通民众视为常识的理论](http://p1.nanmuxuan.com/images/2a/f1ddd94d0c3ffe59.jpg)
不过在二战以前,哈勃定律的意义并没有被广泛认可,一方面是因为大多数物理学家正在忙于发展量子力学,另一方面是即使了解哈勃定律的一些物理学家也将信将疑。比如英国物理学家詹姆斯·霍普伍德·金斯(James Hopwood Jeans,他也参见了第一届索维尔会议)早在1933年英国皇家学会“圣诞科普演讲”《穿越时间与空间》(Through Space and Time)里就向公众介绍了哈勃关于宇宙膨胀的发现,但他本人又提出宇宙可能是一边膨胀,一边“自发地”产生新粒子,从而保证整个宇宙密度不变。
![天文学中早已被推翻,但还被普通民众视为常识的理论](http://p1.nanmuxuan.com/images/f4/6678257597363657.jpg)
二战之后,弗里德曼的学生,移居美国的伽莫夫指导他的学生阿尔夫利用已经发展完善的量子物理学、核物理学知识,计算了“原初原子”的物理状态,在1948年发表的一篇文章里指出氢、氦元素就诞生于于早期宇宙,并预言宇宙中存在着极低温度的背景辐射。“大爆炸宇宙学”由此正式诞生。同样是在这一年,英国天文学家霍伊尔等人创立了“稳恒态”理论(和金斯的想法不谋而合),并嘲笑伽莫夫等人的理论为“大爆炸”(big bang,即嘭的一声响的意思)。
一直到1960年代,随着类星体和宇宙微波背景辐射的发现,大爆炸宇宙学终于获得了公认的支持。类星体是遥远的强射电源,它们的分布表明,宇宙存在演化过程;温度为3K(绝对温标)的微波背景辐射,正好符合大爆炸宇宙学的计算预言。稳恒态理论由此宣告失败,大爆炸宇宙学成为公认的科学模型——我们居住的这个宇宙是有限的,它有一个开端。随着对微波背景测量越来越精确,以及其他观测和理论发展,天文学家们了解了我们宇宙年龄约138亿年,我们太阳系已经有50亿年历史了。
4、科学和哲学的互动
实际上,稳恒态理论,企图用凭空出现的粒子来填补“哈勃膨胀”形成的虚空,这显然并不符合已知的任何物理基础理论,是可以说是金斯、霍伊尔等试图挽救牛顿“无限宇宙”的一种绝望的努力。毕竟,“无限宇宙”图景两百多年来早已深入到每个人的头脑里,仅仅凭“哈勃膨胀”这一个孤证不足以说服大多数人。一直到更多无可辩驳的证据出现,科学家们才最终承认从牛顿以来的“绝对时空,无限宇宙”观念彻底被颠覆了。
![天文学中早已被推翻,但还被普通民众视为常识的理论](http://p1.nanmuxuan.com/images/f0/4a3999cfc32ec091.jpg)
实际上,科学和哲学之间互动非常频繁,因为哲学和科学的共同基础就是要提出问题,追究真相。当我们发现更新的证据的时候,以前的理论无论是谁提出来的,都要被新的证据推翻。亚里士多德时代如此,牛顿时代如此,现代也是如此。
随着相对论、量子力学、大爆炸宇宙学等现代科学颠覆了以往我们对于物质、时空、宇宙性质的认识,也对哲学形成强烈的冲击,迫使哲学家们必须理解这些科学概念。著名哲学家怀特海亲身经历了牛顿物理学的崩塌,深受爱因斯坦等人的影响,他甚至说“如今,如果你要研究哲学,就先学习现代物理吧”(这句话可以看作柏拉图学园“不懂几何者请勿入内”的现代版)。
![天文学中早已被推翻,但还被普通民众视为常识的理论](http://p1.nanmuxuan.com/images/12/79c7387ff6af86ea.jpg)
不过在大众层面上,变化就姗姗来迟了。在1990年前后笔者读初中时,思想政治课本上依然写着“宇宙是无穷无尽的,空间没有边际,时间没有起点和终点”;虽然一切都有起源、发展和结束过程,但宇宙本身是个例外。有趣的是,霍金《时间简史》英文版在1988年出版时,已经同步翻译成了中文版,但国内出版社对这本书的价值(估计还有对中国读者来说全新的宇宙大爆炸观念)拿不定主意,一直延宕至1992年才作为“第一推动丛书”的第一本推出。从这个意义上来说,正是霍金把“宇宙大爆炸”这个概念第一次带给了千千万万的中国读者。
在另一次科普活动中,同样是一位略年长的中学校长,在听我讲了宇宙大爆炸理论根据之后,虽然他无法反驳我的观点,但他跟我说,也许在更高的层面上,宇宙还是无穷无尽的,还是保持稳定的。如果他是认真提出这个假说,那他必须提供相应的理论和观测基础;如果仅仅是为了维护牛顿“无限宇宙”观念,那就大可不必了——毕竟,牛顿和爱因斯坦的战争,在一百年前已经分出胜负了。