宇宙大爆炸(二):给我证据

第二集:给我证据

1905年,在瑞士伯尔尼专利局工作的小职员,德国犹太人阿尔伯特·爱因斯坦,发表了一篇关于运动物质中电磁现象的论文,提出了狭义相对论;10年之后,他又提出了广义相对论。相对论同量子论一起推动了20世纪物理学的革命,也为从整体上研究哈勃发现的星系宇宙奠定了理论基础。

20世纪以前的物理学建立在牛顿绝对时空观的基础上:时间永恒地均匀流逝,空间是不动的舞台,两者相互独立并且不受物质的影响。爱因斯坦的革命性发现是:时间和空间是不可分割的统一体,时空告诉物质如何运动,而物质告诉时空如何弯曲。

在爱因斯坦的理论中,两个物体间的相互作用并不像牛顿所描述的那样,直接产生引力,而是由每个物体对周围的时空产生影响,它们在时空中造成凹陷或扭曲,一个物体经过另一个物体的旁边,路径就会受到扭曲而偏向,这就好像是物质互相吸引一样。

广义相对论就好像是描述了一个表面上由网格标记的橡胶膜,放在橡胶膜上的重物看成是恒星或整个星系,网格代表时间和空间,重物的质量越大,空间和时间凹陷的程度也越深,那些从附近经过的东西,也就越难逃脱坠落在这个大质量物体上的命运。可为什么时间和空间会是弯曲的呢?

古希腊的时候,数学家欧几里德,发展了一套几何学理论,就是欧式几何,我们在初中学的几何就是这个,其中的第五公设,可以推出三角形的三个内角之和为180度,于是我们就把符合欧几里德这套几何学的空间叫做平直空间
19世纪初,德国数学家高斯、匈牙利数学家鲍耶、俄国数学家罗巴切夫斯基等人认识到,除了平直空间以外,没有第5公设的非平直空间在逻辑上是可能的。在这样的空间中,三角形的内角之和未必是180度,描述这种空间的几何学叫做非欧几何,如在球面上画一个三角形,其内角和是大于180度的。

非欧几何虽然被发现了,但在爱因斯坦之前,它仅仅是理论上可能。而爱因斯坦的相对论说明,在大质量物体附近的时空真的就需要非欧几何来描述了,这就是所谓的弯曲时空。爱因斯坦并且预言,由于时空弯曲,从太阳表面附近经过的星光会偏折1.75角秒,这是牛顿预言值的两倍。
1919年5月发生了日全食,英国天文学家爱丁顿领导的两个远征队,分赴巴西东北海岸的索布拉尔和西非几内亚湾的普林西比岛进行观测。半年以后,英国皇家学会正式宣布,他们的观测结果符合爱因斯坦的预言,这个消息立刻轰动了世界,广义相对论从此得到科学界公认。

通过牛顿的理论所描绘出的宇宙在时间上和空间上都是无限的,其中有无限多的基本静止的物质,那么这里就有一个矛盾,因为按照这样推算就会有无限大的万有引力,并最终将宇宙形成一个唯一的大物质。
爱因斯坦利用非欧几何里在1917年提出了一个宇宙模型。这个模型的空间部分是一个球面,弯曲的空间使得宇宙看起来是有限的,因此可以避免引力变成无限大的问题。但是爱因斯坦发现,和牛顿的宇宙一样,这个模型里的物质也很难保持静止不动,于是爱因斯坦就在他的广义相对论方程当中加入一个表示斥力的一项:宇宙学常数

但很快有人反对爱因斯坦的这个静态宇宙模型,第一个提出质疑的,是俄国学者阿列克谢·弗里德曼。在1922年发表的一篇论文中,弗里德曼求解了不包括宇宙学常数的广义相对论方程,发现宇宙不会静止不动,而是要么膨胀要么收缩。爱因斯坦看到弗里德曼的论文后,给发表它的杂志去信,说弗里德曼可能算错了。弗里德曼并没有屈服于爱因斯坦的权威,他详细写出了自己的计算过程给爱因斯坦寄去。后来,爱因斯坦在同一个杂志上发表声明,承认自己错了而弗里德曼是对的,伟人都很谦虚的说。

弗里德曼还认识到,如果假定空间有最大的对称性,那么三维空间的几何只有三种可能:一种是我们熟悉的欧几里德空间,即平直空间;一种是爱因斯坦模型中类似球面的空间,即闭合空间;还有一种是类似马鞍形的双曲面空间,即开放空间。在此后几十年的时间里,探索宇宙空间的几何形状一直是宇宙学家们最重要的课题。

1927年,比利时神甫,洛文天主教大学的物理学教授乔治·勒梅特指出:爱因斯坦的静态宇宙模型是不稳定的,如果宇宙学常数的斥力稍稍超过物质的引力,宇宙就会开始膨胀,而且越膨胀越快。

1912年的时候,哈佛大学天文台的女天文学家赫丽塔·勒维特,在南半球天空的麦哲仑星云中找到了一类特殊的天体,叫做”造父变星”。它们的亮度先是快速上升,随后缓慢下降,呈周期性变化,越亮的造父变星光变周期越长。哈佛天文台台长沙普利立即认识到,通过造父变星,可以推算出星系的距离,并测定出银河系的范围为30万光年,虽然比实际值偏高,但这种方法还是帮助他做出了太阳并不在银河系中心的重大发现。

在威尔逊山天文台的哈勃用同样的方法,在仙女座大星云和三角座星云中发现了一批造父变星,推算出它们的距离都是93万光年,甚至远远超出了沙普利的大银河系的范围。哈勃还发现,大部分星系的光谱都发生了红位移,距离越远的星系红位移越大。根据多普勒效应,这意味着所有的星系都在远离我们,而且离我们越远的星系,退行的速度也越快。哈勃在1929年发表的这个初步结论,后来被更多观测所证实,成为人们公认的”哈勃定律”。 其中速度与距离成正比关系的比例常数被称为”哈勃常数”。
哈勃定律的重要意义在于,它显示出宇宙中的星系,就像一个膨胀气球上的斑点,彼此分散那样运动,从而为弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙模型提供了观测依据。

这时,勒梅特听说了哈勃的发现,他知道这是自己一直等待的结果,他决定找到爱因斯坦,当面向他陈述自己的想法。1931年,爱因斯坦访问威尔逊山天文台,哈勃是主人,勒梅特也赶到加州和他们见面。他们推心置腹的讨论了各自的观点。在一次演讲中,勒梅特以诗意的叙述,向爱因斯坦陈述了他的理论。按他的说法,宇宙是从一个原始原子开始,不断分裂膨胀而成的,就如同一颗小小的橡果,长大成为一棵参天的橡树那样,他并以哈勃的观测为证,说明宇宙是创生于”没有昨天的那一天“。演讲结束的时候,他看到爱因斯坦站起来说:”这是我所看到过的最美丽的结果”。从那时开始,爱因斯坦承认引进”宇宙学常数”是他一生最大的失误。

按照哈勃的的计算,他得到宇宙的年龄是20亿年,但当时的地质学家通过研究地球上最古老的岩石得出地球的年龄不小于40亿年,宇宙的年龄怎么可能比地球的年龄还要小呢,这就出现了一个很大的矛盾。

1948年剑桥大学的数学家弗里德·霍伊尔对宇宙有一个起点的说法,提出了一系列质疑,他特别反对宇宙起源于一次大爆炸的观点,并与同事邦迪和戈尔德一起,提出了与大爆炸理论完全对立的”稳恒态宇宙”理论,他问道:如果说宇宙起源于大爆炸,那么大爆炸之前难道就没有宇宙吗?这从哲学上让人感到困惑,所以他提出了所谓完美宇宙学原理的假设:认为宇宙不仅在空间上均匀,而且面貌不随时间改变。

由于哈勃根据星系退行速度,测算出宇宙年龄只有20亿年,导致霍依尔的”稳恒态”一时占了上风。正当宇宙年龄所造成的疑惑,使大爆炸理论陷入困境的时候,天文学家发现,哈勃将星系的距离全都低估了一倍,因此也就将宇宙的年龄低估了一倍。在改正了这个错误以后,宇宙的年龄就不会比地球的年龄低了。

霍伊尔的另一个质疑是:勒梅特并没有具体说明”原始原子”究竟是什么,它是如何形成,又如何崩解为各种元素的?而霍伊尔的”稳恒态”恰恰能证明这一点。自19世纪中叶,光谱分析应用于天文学以来,人们在天体中发现了几十种元素,最常见的是氢和氦。进入20世纪以后,物理学家又陆续发现,原子核是由质子和中子组成的;在适当条件下,较重的原子核可以裂变为较轻的核;较轻的核也可以聚变成更重的核,在此过程中释放出的能量,可以为恒星提供足够的能源。霍伊尔和他的合作者,阐明了元素在恒星内逐级合成的具体反应过程,直到今天,这仍然是教科书中的标准理论,其实这也是间接支持了后面所发展的大爆炸理论:

当空间中的氢原子,由于引力逐渐凝聚到一起,形成越来越大的球体时,恒星形成了。在恒星像滚雪球似的越滚越大时,引力造成的内部压力也越来越高。这种压力会把氢原子紧紧压合在一起,产生聚变反应,形成新的元素”氦”。当氢燃烧完后,恒星内的氦可以再聚变为氧和碳,如此持续,合成越来越重的原子,直到铁的产生。
比铁更重的元素,则可以在一些特殊的环境,如大质量恒星演化晚期的超新星爆发中产生。而组成我们身体的碳、氧、铁等重元素,都是先在恒星中产生,再于恒星爆发后被抛射出来,在太空中像灰尘一样的游荡,直到跟其他的星尘混合,因重力形成新的恒星。可以说,我们每个人都曾经是某颗恒星中的一部分,生命,也由此产生

霍伊尔关于重元素在恒星内合成的理论实在是太成功了,但却不能解释轻元素氦,在宇宙中含量高达1/4的观测事实。因为假如这么多氦都是在恒星中合成的话,那么夜晚也会比白天还亮了。1946年,移居美国的前苏联科学家伽莫夫另辟蹊径,提出了宇宙中的氦主要是在大爆炸后不久的高温条件下合成的理论。
但是,霍伊尔不愿意承认这一点,他提出了一个尖锐的问题:如果宇宙起始于一次大爆炸,在那种高温高热状态下所产生的辐射,一定会在太空中留下某种痕迹,即使是在大爆炸已经过去了140亿年的今天,也应该能找到哪怕一丁点儿辐射痕迹的残留。可问题是,这个痕迹能找到吗?

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