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弗里德曼所有三个宇宙观的一个共同点是变动宇宙的概念。他认为,今天的宇宙既不同于昨天的也不同于明天的宇宙。这是弗里德曼对宇宙学的革命性贡献:宇宙是一个在宇宙尺度上不断演化的过程,而不是整体上保持静止直到永远。
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由于这一假设衍生的内容丰富,也许现在我们来清理一下思路正是时候。爱因斯坦提供了两种广义相对论版本,其中一个带宇宙学常数,一个不带。随后,他基于他的带宇宙学常数的理论创建了静态宇宙模型,而弗里德曼则在不带宇宙学常数的理论的基础上创建了一种(有三种变化的)模型。当然,模型可以有许多个,但现实只有一个。现在的问题是——到底哪一种模型切合实际?
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图30 在三个不同大小的行星上,大炮以相同的速度发射炮弹。行星(a)的质量非常大,其引力很强,炮弹落最终落回到地面。行星(b)质量很小,其引力太弱,炮弹飞入外空间。行星(c)具有完美的质量,使得炮弹进入轨道运行。
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对爱因斯坦而言,答案是显而易见的:他是对的,弗里德曼是错的。他甚至认为俄罗斯人的工作在数学上是有缺陷的,并写了一封投诉信到弗里德曼发表论文的杂志:“关于非平稳的世界的结果,对于弗里德曼的工作,在我看来可疑。在现实中,它给出的解并不符合广义相对论的方程。”其实,弗里德曼的计算是正确的,因此他的模型在数学上是有效的,即使它们与现实的相似性值得商榷。也许爱因斯坦只是对弗里德曼的论文粗略看了一眼,就认为它必然是有缺陷的,因为这与他的静态宇宙的信念不相符。
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在弗里德曼进行了有力反驳之后,爱因斯坦在给杂志编辑部的更正通信中爽快地承认了自己的错误:“我相信弗里德曼先生的结果是正确和清楚的。它们表明,除了静态解,[广义相对论的]方程还有一个随时间变化的空间结构对称的解。”虽然他同意弗里德曼的动态解在数学上是正确的,但爱因斯坦仍然坚持认为它们与科学无关。很明显,爱因斯坦的这篇收回上次评论的更正信的原意仍是轻视弗里德曼的解,声称它“很难有什么物理意义”,但随后他删去了批评,也许他记得这封信本该是道歉。
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尽管爱因斯坦反对,但弗里德曼仍继续推进自己的想法。然而,他的工作还没来得及得到科学界严格的评审,命运就出面干预了。1925年,弗里德曼的妻子正要生下他们的第一个孩子,他不得不忙于养家糊口。在外工作期间,他给妻子写了一封信:“现在每个人都离开了天文台,我一个人伴着四周的雕像和我前任的画像,一天的喧嚣之后,我的心变得越来越平静,让我欣喜地想着远在千里之外的心爱的人的生活,温柔的灵魂是活的,新的生活变得越来越近……一种有着谜一样未来的生活,其中没有过去。”但是,弗里德曼没有活到亲眼见到他的孩子出生。他染上了严重的疾病,可能是伤寒,并在精神错乱的状态中死去。列宁格勒的一家报纸报道说,他曾试图进行计算,在临终前,对着假想的观众喃喃自语,就像在给他的学生上课。
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弗里德曼发展出一种宇宙的新视野,但他的去世几乎无人知晓。他的思想已经发表,但在他的一生中,它们基本上没人去读,被完全忽视。部分原因在于弗里德曼过于激进。在这一点上,弗里德曼与哥白尼有很多共同之处。
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更糟糕的是,弗里德曼曾受到爱因斯坦这位世界上最杰出的宇宙学家的谴责。虽然爱因斯坦发表了一份勉强道歉的信,但事实上它并没有广泛流传,这意味着弗里德曼的声誉仍然失去光泽。此外,弗里德曼有的只是数学背景而不是天文学背景,因此他被宇宙学界认为是一个局外人。最主要的是,弗里德曼直接超越了他的时代。天文学家当时还没有能力实现对那些可能支持膨胀宇宙模型的天文现象进行详细的观察。弗里德曼曾公开承认,尚没有有利于他的模型的证据:“在目前,这一切都被认为是一个无法得到哪怕是不充分的天文学观测资料可靠支持的奇特事实。”
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幸运的是,膨胀和演化的宇宙的概念并没有完全消失。在弗里德曼去世后仅过了短短几年,这一思想便再次呈现,但俄国人还是没能从中获得任何赞扬。这是因为这次的膨胀宇宙模型是由比利时神职人员暨宇宙学家乔治·勒迈特独立地重新发现的。勒迈特接受教育时也受到第一次世界大战的严重干扰。
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勒迈特于1894年出生在比利时的沙勒罗瓦,他在鲁汶大学获得了工程学学位。但随着德国军队入侵比利时,他不得不放弃学业投笔从戎。他在军队待了四年,目睹了德国人第一次使用毒气攻击。战争结束,他因战时作战英勇而荣获铁十字勋章。战后,他回到鲁汶继续他的研究,但是这一次,他从工程学转向了理论物理学。1920年,他还在马里纳(MaIine)上了一所神学院。1923年,他被任命为天主教牧师。从此,他一生中始终是物理学研究和牧师传教并重。“达到真理有两种途径,”他说,“我决定二者兼顾同时并举。”
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被授予神职后,勒迈特花了一年时间在剑桥与亚瑟·爱丁顿在一起,爱丁顿称他是“一个非常优秀的学生,对问题非常敏锐,事情看得非常透彻,并具有很强的数学能力”。次年,他去了美国,花时间在哈佛天文台做天文测量,同时开始在麻省理工学院攻读博士学位。勒迈特投身于宇宙学家和天文学家的行列,让自己熟悉对天体的观察,以补足自己对理论的偏爱。
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1925年,他回到鲁汶大学,得到一个学术职位,并开始基于爱因斯坦的广义相对论方程来发展他自己的宇宙学模型,但在很大程度上忽略了宇宙学常数的作用。在接下来的两年里,他重新发现了膨胀宇宙模型,根本不知道其实早在10年前弗里德曼就以同样的思路提出了这一模型。
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图31 乔治·勒迈特,比利时神父和宇宙学家,他无意中复活了弗里德曼的不断演化和膨胀的宇宙模型。他的理论认为,宇宙开始于一个原始原子的爆炸。他是大爆炸模型的先驱。
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但勒迈特通过坚持不懈地追问膨胀宇宙的后果,超越了他的俄罗斯前辈。与弗里德曼是一位数学家不同,勒迈特是宇宙学家,而且是一位想要了解公式背后的物理实在的宇宙学家。具体地说,勒迈特感兴趣的是宇宙的物理演化史。如果宇宙的确在膨胀,那么昨天的宇宙就一定比今天的宇宙小。同样,去年的宇宙肯定比当前的宇宙小。从逻辑上讲,如果我们回到足够远的过去,那么空间中的一切必将被压缩在一个很小的区域内。换句话说,勒迈特准备倒拨时钟直到宇宙的一个明显的开始。
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勒迈特给出的一个很大的启示是,广义相对论暗示着存在创生的那一刻。虽然他对科学真理的追求不受他寻找神学真理的影响,但这样一种认识肯定会在这位年轻牧师的心中产生共鸣。他的结论是,宇宙始于一个很小的致密区域,它由此向外爆炸,并随时间演化成我们今天所处的宇宙。事实上,他认为宇宙会继续演化到未来。
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发展出这一宇宙模型后,勒迈特转向物理学,开始寻找可以证实或解释他的宇宙创生和演化理论的物理。他很偶然地注意到,天文学家对有一个领域越来越感兴趣,那就是宇宙线物理学。早在1912年,奥地利科学家维克托·赫斯曾将气球放到近六千米的高度,来检测收集来自外太空的高能粒子的证据。勒迈特对放射性衰变过程也很熟悉,就是像铀这样的大的原子裂解成较小的原子,同时发射出粒子、辐射和能量。勒迈特开始猜测,宇宙就是由类似的过程诞生的,只不过尺度要大得多。通过时间上倒推,勒迈特预计,当初所有的恒星都挤在一个超小型的宇宙里,他称这个宇宙为原始原子。然后,他认为存在这么一个创生时刻,在这一瞬间,这个无所不包的原子突然衰变,产生出当今宇宙中的所有物质。
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勒迈特推测,今天可观测到的宇宙线可能就是这种初始衰变的残余物质,而且大部分的喷射物质会凝结,久而久之就形成了我们今天的恒星和行星。后来,他是这样总结他的理论的:“原始原子假说是一种宇宙成因假说,它将现在的宇宙描绘成一个原子的放射性分裂的结果。”此外,这个所有放射性衰变之母所释放的能量可以为宇宙膨胀提供动力,而膨胀正是他的宇宙模型的核心。
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总之,勒迈特是第一位对我们现在所说的宇宙大爆炸模型给出了相当可信和详细说明的科学家。事实上,他坚持认为这不只是宇宙的一个模型,而是宇宙就这模型。他从爱因斯坦的广义相对论出发,发展了一个宇宙创生和膨胀的理论模型,然后将已知的观测到的现象,如宇宙线和放射性衰变等概念综合进来。
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创生的那一刻是勒迈特模型的核心,但他对无形的爆炸如何转变成我们今天看到的恒星和行星的过程也很感兴趣。他要发展一种涵盖宇宙的创生、演化和历史的理论。虽然他的研究是理性的和逻辑的,但却用诗性的语言来描述这一切:“宇宙的演化可以比喻为烟花的燃放:几缕轻烟、几许灰烬。站在完全冷却的煤渣上,我们看到日薄西山,让人不由得想起世界起源那一刻消失的光彩。”
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通过将理论与观察相结合,并在物理学和天文学观测的框架内提出了大爆炸假说,勒迈特的贡献远远超出了弗里德曼的早期工作。然而,当这位比利时神父在1927年公布他的这个创生理论时,他遇到了与弗里德曼模型提出时同样沉默的回应。造成这种局面的一个原因是,勒迈特在发表他的这一工作时选择的是一本缺少知名度的比利时期刊《布鲁塞尔社会科学年鉴》。
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在勒迈特发表了《原始原子假说》后不久,他遇到了爱因斯坦。而这次相遇使情况变得更糟。勒迈特出席了1927年在布鲁塞尔举行的索尔维会议,这是一次世界上最伟大物理学家汇聚的盛会。在会上,他迅速确立了他的存在,这要归功于他那抢眼的牧师服饰白色硬立领。他设法留住爱因斯坦,向他解释了他所创立的创生和膨胀的宇宙模型。爱因斯坦回应道,他已经听说过弗里德曼的这一思想,这才使这位比利时人第一次得知了他的已故的俄国同行的工作。随后爱因斯坦回绝了勒迈特:“你的计算是正确的,但你的物理是可憎的。”
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爱因斯坦曾有两次机会来接受或至少是考虑膨胀的大爆炸的图像,但他两次都回绝了这个想法。被爱因斯坦排斥就意味着被学界排斥。在没有确凿证据的年代里,爱因斯坦的祝福或批评具有催生或断送一个新理论的力量。爱因斯坦,这位曾经的反叛权威的标志性人物,如今已成为一个无心的独裁者。他后来终于品尝到他处在这个位置的讽刺性,他曾感叹道:“为了惩罚我对权威的蔑视,命运让我自己成了权威。”
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