创建大爆炸宇宙学说的故事(上)

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按:本文叙述大爆炸宇宙学说从初创(1917年)到被科学界认可(1965年)的过程。文章反映出:(1)一个基本上符合客观实际的理论不可能是一蹴而就的;(2)先入为主、固执己见,即使像爱因斯坦这样的科学巨匠也在所难免,为了说明主题,首先介绍18世纪以来流行于欧洲的牛顿的无限宇宙观。

(选自天文爱好者2001年第三期,作者许梅)

按:本文叙述大爆炸宇宙学说从初创(1917年)到被科学界认可(1965年)的过程。文章反映出:(1)一个基本上符合客观实际的理论不可能是一蹴而就的;(2)先入为主、固执己见,即使像爱因斯坦这样的科学巨匠也在所难免,为了说明主题,首先介绍18世纪以来流行于欧洲的牛顿的无限宇宙观。

牛顿的宇宙观

1692年,艾萨克·牛顿(Issac Newton,1642~1727)在写给牧师本特利(Richard Bentley)的一封信中说,宇宙显然是无限的,如果宇宙是有限的,则引力将使宇宙里的所有物质聚集到宇宙中心,人们也就不会看到分散在天空中的点点繁星了,除了一个巨大的质量外,宇宙将不存在任何物质。另一方面,牛顿认为物质大体上是均匀地分布在无限的宇宙之中的,否则的话,万有引力就有可能将太空中的物体拉向一个特殊的方向。

不幸的是,牛顿的推理是错误的。如果他的说法正确,则这种物质聚拢的现象在有限尺度的星系内应该能观察到,即组成星系的所有物质(恒星、气体、星际尘埃等)都将聚集到星系的核心。显然,这种情况并未发生,否则我们还能坐在这里讨论有关物质的问题吗?保持星系不坍缩的原因在于它的小小的旋转,星系中的恒星围绕星系核心旋转,就像行星围绕太阳旋转一样,恒星掉进星系中心的概率与火星会突然脱离其绕日轨道掉进太阳的概率差不多。

牛顿关于无限宇宙内物质均匀分布的假设也是错误的,因为只要在一个或者另一个天区,物质稍多于平均值一点点,万有引力就会把更多的物质吸引到那个天区,星系就是这样形成的。

牛顿推理的瑕疵在于,他假设了如果一开始力是均衡的,则它们将一直保持着均衡的状态,但实际情况并不一定如此。例如被支撑着处于平衡状态的一支铅笔,开始时可能没有力作用于它使它倾倒,但并不能保证它永远不会倾倒,一阵微风吹过来就足以把它刮倒。同理,如果在一个无限的宇宙内,开始时,其中恒星的分布大体上处于彼此等距离的状态,它们不可能永远保持着这种状态,一点小小的扰动就会驱使这些恒星开始聚集成团。

1720年,英国天文学家、发现哈雷彗星的埃德蒙·哈雷(Edmund Halley,1656~1742)对宇宙的“大小”提出了与牛顿相反的见解,他认为宇宙明显是有限的。他的话是这样说的:如果恒星的数目多于有限个数的话,则由它们形成的球体的总表面积看上去将是明亮的。他的结论是一个无限的宇宙将含有无限多个恒星,因而它们发光的总和将导致夜晚的天空是很明亮的。事实上,如果哈雷的记述是正确的,则夜空就会和太阳一样明亮,其结果,不论我们向哪一个方向看去,视线不可避免地总会碰到一颗恒星。

今天,哈雷的论述被称为奥伯斯佯谬(Olbers paradox),因德国天文学家奥伯斯(heinrich olbers)在1826年对此问题的“复活”而得名。显然,奥伯斯不应得到此概念之殊荣,因为这个佯谬,不仅哈雷谈起过,十八世纪的瑞士天文学家德切泽奥赫(jean Philippe de cheseaux)就曾经研究过,但我们已习惯称之为“奥伯斯佯谬”了。显然,上述关于宇宙有限、无限的争论,无助于我们对于宇宙的大小下任何定论。且来看看科学巨匠爱因斯坦对此问题是怎么说的。

爱因斯坦的宇宙

广义相对论最重要的应用之一,就是将该理论应用于整个宇宙。1917年,爱因斯坦在发表了广义相对论以后,便急于将其用于解决宇宙问题。当时,在他的脑海中,宇宙的景象如下:在大尺度上,宇宙是静止的,至少那是天文学家们告诉他的情景。银河系是宇宙的主宰系统,但在银河系之外有恒星,还可能有星云。那时候,埃德温·哈勃(Edwin hubble,1889~1953)尚未发现河外星系,因而爱因斯坦对此毫无所知。其次,他认为宇宙是平滑的(smooth)和均匀的(uniform),到处都一样,就像均匀的液体,更有甚者,宇宙是各向同性的(isotropic),即在所有方向上都一样。他把这两个假设作为第一前提,但当他解他的场方程式时,得到的却是一个不稳定的宇宙,该宇宙不是膨胀就是坍缩,而不能保持静止。但爱因斯坦确信真实的宇宙平均说来是静止的,他的方程式不会错,一定有某些问题不对头,广义相对论预见的太阳系内的现象如行星绕日轨道的进动值与观测值符合得很好,但当应用到整个宇宙时却出了偏差。在他看来,唯一的办法就是修正其场方程,于是他在方程式中加进了称为宇宙常数(cosmological constant)的一项,以抵制宇宙膨胀或者坍缩的倾向。该常数在大尺度、宇宙的尺度上是重要的,但在恒星系统如太阳系这样的尺度上则可以忽略不计。爱因斯坦是不情愿增加这一项的,因为它破坏了原来场方程的简洁和美丽,但在他看来,也没有别的办法。这一做法是否正确呢?他注视着对方程式的演算,相信自己的做法是对的。

按照修正的方程,他获得了一个稳定的。这是一个球形的宇宙,空间有一个正曲率,犹如一个球面,但最好把它看作是四维空间中的圆筒或圆柱,其主轴代表时间。爱因斯坦非常高兴,因为用此方程式,他克服了牛顿遇到的困难。其次,他并不担心宇宙边界的另一边,因为在爱因斯坦的宇宙物质弯曲的空间中,如果你沿着一条直线前进,则实际上将沿着一条巨大的曲线最后返回到原来的出发地点。因此,爱因斯坦的宇宙是封闭的。事实上,如果知道了宇宙内物质的平均密度,就能计算出上述大圆弧的长度。爱因斯坦与哈勃的观测核对,得出宇宙的半径为一千万光年,但他知道这只不过是一个近似值,故未发表其论文。

德西特的工作

奇怪的是,虽然,爱因斯坦凭借他所有的直觉和小心谨慎,还是有所疏漏了。他的场方程实际上有两个解,而他漏掉了一个。几个月后,这个解由荷兰天文学家威廉·德西特(willem de sitter,1872~1934)所发现。那时候,德西特的主要兴趣在于研究恒星和行星运行的天体力学,但他是一位数学能手,当获得了一份爱因斯坦广义相对论的抄件时,德西特立即察觉到了其重要性。

那时候正是第一次世界大战期间,德西特是联系德国科学界和其他国家科学界的少数科研人员之一。作为英国皇家天文学会的外籍会员,德西特经常跟该学会的秘书、英国天文学家和物理学家爱丁顿(Arthur eddington,1882~1944)接触。德西特马上把爱因斯坦文章的抄件寄给爱丁顿,该论文是用复杂的、当时认为是很奇特的新语言(张量)的形式书写的,但爱丁顿认为该文章美丽而简洁,表示非常佩服,他请德西特就此写一篇总结性文章,供monthly notices of the royal astronomical society(简称MNRAS)期刊选用。几个月后,收到了德西特的三篇论文,在该期刊登载后,大多数欧洲和美国的科学家们第一次知道了这些新的见解。

前两篇文章叙述了理论本身,第三篇文章,德西特大胆地超出了理论框架。他讨论了爱因斯坦的宇宙模型,并指出爱因斯坦漏掉了一个解,这个解给出了一个奇怪的宇宙,但德西特发展了它,并指出在许多方面优于爱因斯坦的解;但有一个问题:它是空的,是一个没有物质的宇宙!这是不是不合格了呢?德西特认为不是,他指出:真实宇宙中物质的平均密度惊人的低,作为第一级近似,它是空的,因此,该模型应是对真实宇宙较好的近似。

但德西特的宇宙还有另一个奇怪的特点:距离地球很远处的时钟将走得很慢,这意味着来自宇宙远处的光线是红移了的。这就是说,来自遥远天体的光的谱线有了位移,而德西特认为这只是个幻觉,并不表示为退行速度,他写道:“极远处恒星和星云的谱线……一定系统地移向红端并导致假的视向速度。”爱丁顿也对此预见有所怀疑,他写道:“远方天体的谱线普遍向红端移动……会错误地被解释为退行。”此后不久,德西特和另一些科学家也都注意到:如果两个物体被置于此宇宙内,它们将相互排斥而远离。

爱因斯坦对德西特的宇宙模型持何种态度呢?他不喜欢这个模型。他在1917年六月写给德西特的一封信中说:“你的宇宙”对我来说毫无意义,他特别难以接受宇宙是空无一物的这一事实。德西特对爱因斯坦的宇宙也持有疑义。此时,美国洛维尔天文台的斯里弗(Vesto Slipher)对一些“旋涡星云”在以高速度逃离我们的观测结果已经公布,德西特认为这些观测事实支持他的模型,他还批评爱因斯坦认为银河系是宇宙中唯一的星系的观点,并且指出有相当多的证据说明,所谓的“旋涡星云”可能就是银河系以外的天体系统,而整个宇宙中有很多的星系。

哪一种模型是正确的?大多数天文学家不想冒风险去猜测,对他们来说,这个理论真的太复杂了。美国威尔逊山天文台台长海尔(George hale)竟然感到,“……相对论真的太复杂了……我这一辈子可能都很难把握它。”当时,世界各国只有少数科学家了解这一理论,其中就有爱丁顿,他游移于这两个模型之间;他考虑德西特宇宙模型也许更符合实际一些,因为它预见到了红移,而远方的星云确实表现有红移;但他又说德西特的理论对他没有太多的吸引力,他实质性的感觉是,爱因斯坦的模型是一个正确的模型。

随着时间的推移,天文学家们对这两个模型也都漠视了。直到1930年,哈勃的观测工作证实了宇宙确实在膨胀以后,爱因斯坦才与德西特合作,在后者原来工作的基础上,于1932年发表了以他们二人的姓氏命名的“爱因斯坦-德西特宇宙模型”:从一个奇点诞生的、空间是平直的(即服从欧几里得几何)、开放而无限的宇宙模型。这种宇宙的膨胀速度缓慢地趋于零。这是德西特对宇宙学所做的最后的贡献,他于1934年11月19日因患肺炎病逝。(未完待续)

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2 条回复 A文章作者 M管理员
  1. 守夜人说(特邀作者)

    不断旋转才能延缓引力对自身的影响

  2. 阿尔丁巴特M1

    书上的原文是这样的:“宇宙显然是无限的,如果宇宙是有限的……”因为 按语里面都说了,文章开头是要介绍牛顿的“无限宇宙观”啦 !

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