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不过,爱因斯坦的努力仅限于理论,而理论可能是错误的。这就是为什么投资昂贵的实验设备和望远镜是值得的,因为只有它们有可能使我们对什么是好的理论和不好的理论做出区分。爱因斯坦早期笃信的是静态的宇宙,而那个理论与哈勃现在的观察似乎是矛盾的,由此可见观察能力对判断理论的重要作用。
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在威尔逊山访问期间,爱因斯坦与哈勃的助手密尔顿·赫马森进行了交流。赫马森向爱因斯坦展示了各种照相底版,并指出他们所探索的星系。他还给爱因斯坦看了星系的光谱,上面显示出系统的红移。爱因斯坦已经读了哈勃和赫马森发表的论文,但现在他可以自己来看这些数据。得出的结论似乎是必然的。观测表明,星系正在退行,宇宙正在膨胀。
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1931年2月3日,爱因斯坦向聚集在威尔逊山天文台图书馆的记者发布公告。他公开宣布放弃自己的静态宇宙学并支持大爆炸膨胀宇宙模型。总之,他发现哈勃的观测是有说服力的,并承认了勒迈特和弗里德曼的理论始终是对的。随着世界上最著名的天才改变观点,现在改为支持大爆炸理论,于是宇宙膨胀概念成为正式的观点,世界各大报纸纷纷予以关注。哈勃家乡的报纸《斯普林菲尔德日报》在头版头条以通栏标题《离开奥沙克山去研究星星的年轻人使爱因斯坦改变想法》刊载了哈勃的事迹。
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爱因斯坦不仅放弃他的静态宇宙模型,而且重新考虑了他的广义相对论方程。我们知道,爱因斯坦的原始方程准确解释了熟悉的引力,但这种吸引力可能最终会导致整个宇宙的坍缩。而宇宙在他看来是永恒的、静态的,因此他在他的方程中加了一项宇宙学常数——纯属人为——以便引入一项在大尺度上起作用的斥力来防止坍缩。现在,既然宇宙已被证明不再是静态的了,于是爱因斯坦放弃了宇宙学常数,又回到他的广义相对论的原始方程。
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爱因斯坦一直感到宇宙学常数不自然,将它插入到方程只是为了符合既成的静态和永恒的宇宙观。事实证明,这种约定俗成和合规的理念让他迷失了。在他作为一个物理学家的早期生活中,在他处于智力巅峰时,他总是遵从直觉,蔑视权威。就这么一次,他屈从了群体的压力,结果还被证明是错了。后来他称宇宙学常数是他一生中最大的错误。正像他写给勒迈特的信中所说的那样:“自从我引入这个词后,我一直觉得有昧于良心……我无法相信这样一个丑陋的东西应该在自然中得以实现。”
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虽然爱因斯坦热衷于放弃他的宇宙修正因子,但信奉永恒的、静态的宇宙的宇宙学家们仍然相信宇宙学常数是广义相对论中一个重要的和有效的部分。甚至一些大爆炸宇宙学家也对它偏爱有加,不愿失去它。通过保留宇宙学常数但改变它的值,他们可以调整他们的大爆炸理论模型并修正宇宙的膨胀速率。宇宙学常数代表了一种反引力作用,它可以使宇宙膨胀得更快。
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宇宙学常数的值和有效性在大爆炸理论的支持者之间产生了一些冲突,但在1933年1月——爱因斯坦第一次到访这座天文台的两年后——在帕萨迪纳威尔逊山的大本营研讨会上,勒迈特和爱因斯坦结成了统一战线。勒迈特向与会的杰出的天文学家和宇宙学家(听众中包括埃德温·哈勃)阐述了他的宇宙大爆炸模型。虽然这是一次学术聚会,但勒迈特在物理学中编织了一种诗的意境。特别是他又给出了他最喜欢的烟花的比喻:“在万物开始的时候,有一束美不胜收的烟花。在一声爆炸之后,烟雾充满了苍穹。我辈来得太晚,无法见证造物主创生那一刻的辉煌!”
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尽管爱因斯坦可能希望看到的是更多的数学细节和较少的粉饰,但他还是赞扬了勒迈特的开拓的努力:“这是我听过的对创生的最优美、最满意的解释。”此言的确不虚,特别是从一个6年前还在将勒迈特的物理学斥为“可憎”的人的口中说出。
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爱因斯坦的认可标志着勒迈特的生涯在科学界内外都开始步入名人的行列。毕竟,这里站着的是一位证明了爱因斯坦错了,一位在望远镜的水平尚无法检测出星系逃离的年代就高瞻远瞩地预言了宇宙在膨胀的人。勒迈特被邀请到世界各地去演讲,他获得了众多的国际奖项——他确实有资格享受宣称自己是一名著名的比利时人这一难得的荣誉。他的人气、魅力和标志性的地位部分来自于他作为一个牧师和一个物理学家的双重身份。全程参加了1933年帕萨迪纳会议的《纽约时报》记者邓肯·艾克曼写道:“他的观点有趣而重要,不是因为他是一名天主教神父,也不是因为他是我们这个时代的领军数学物理学家之一,而是因为他两者兼顾。”
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图65 1933年,阿尔伯特·爱因斯坦和乔治·勒迈特在帕萨迪纳出席关于哈勃的观测结果和宇宙的大爆炸模型的研讨会。
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像伽利略一样,勒迈特相信上帝保佑那些具有探索精神的人,他会珍爱地看待科学的宇宙观。与此同时,勒迈特对他的物理学研究和他的宗教信仰保持严格的区分,他宣称他的宗教信仰确实不是他研究宇宙学的动因。“数以百计的专业和业余科学家实际上相信圣经,却假装教授科学,”他说,“这是一个很好的协议,就像假设二项式定理必须是权威的宗教教条。”
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然而,一些科学家仍然认为神学对这位神父的宇宙观有负面影响。这些反宗教人士抱怨道,他的万物创生于原始原子的理论不过是对存在伟大的造物主的一种伪科学证明,是现代版的《创世记》。为了削弱勒迈特的地位,这些批评者不断强调大爆炸假说的一个严重缺陷,即其对宇宙年龄的估计。根据哈勃的观测,距离和速度测量意味着宇宙不到20亿岁。鉴于现代地质研究已经估计出一些地球上的岩石的年龄为34亿年,因此两者之间至少有14亿年的尴尬的年龄差距。大爆炸模型似乎意味着地球比宇宙更古老。
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在大爆炸的批评者们看来,勒迈特模型的根本问题在于认为宇宙有一个有限的年龄。而他们认为宇宙是永恒不变的,因此大爆炸模型是无稽之谈。这在当时仍然是权威的观点。
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然而,权威也不能只坐在背后攻击大爆炸——他们也得依据他们偏爱的稳恒态宇宙模型来解释最新的观测结果。哈勃的观测清楚地表明,星系有红移,在退行,所以大爆炸的批评者必须证明这些事实并不一定意味着在过去存在创生的那一刻。
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牛津大学的天体物理学家亚瑟·米尔恩是第一批想出另一种与稳恒态宇宙相容的方式来解释哈勃定律的人中的一位。在他的号称“运动相对论”的理论中,星系有着广泛的速度,有些在空间中移动缓慢,有些移动得很快。米尔恩认为,越遥远的星系运动的越快这是很自然的,正如哈勃观察到的那样。因为正是由于它们有这么快的速度,它们才能飞出这么远。按照米尔恩的观点,星系以正比于其距离的速度退行并不是原始原子爆炸的结果,而是随机运动的实体无阻碍地自由运动的自然表现。这种解释无懈可击,而且它还鼓励其他天文学家们在稳恒态宇宙框架下去创造性地思考哈勃红移问题。
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图66 弗里茨·兹威基,光疲劳的缺陷理论的发明者,这个理论试图解释哈勃观测到的星系红移。
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对大爆炸宇宙模型予以最猛烈批评的是保加利亚出生的弗里茨·兹威基。他以偏心和顽固而著称于宇宙学界。1925年,他应诺贝尔奖得主罗伯特·密立根的邀请到访加州理工学院和威尔逊山天文台。但兹威基日后却以怨报德,在某个场合下公然宣称密立根一生中就没出个什么好主意。他的同事个个都是他污蔑的目标,其中许多人成为他最喜欢用的侮辱性用词——“混球”——的指称对象。就是说你像一个球体一样从各个方向看上去都一样,一个混球就是一个混蛋,不管你怎么看。
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兹威基研究了哈勃的数据,质疑是不是所有的星系都在移动。他对星系红移的解释是基于这样一个公认的概念:行星或恒星辐射出任何东西都会失去能量。举例来说,如果你把一块石头扔到空中,它带着能量和速度离开地球表面,但致密地球的引力会降低石头的动能,减缓其速度直到速度为零,于是石头落回地球。同样,逃出星系的光的能量也会受到星系引力的侵蚀。光不可能慢下来,因为光速是恒定的,所以能量损失表现为光的波长增加,使它显得更红了。换句话说,这便是对哈勃的红移观测的另一种可能的解释,它不涉及宇宙膨胀。
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兹威基的星系红移是引力抽取掉光的能量的说法称为光疲劳理论。这一理论的主要问题是它得不到已知物理定律的支持。计算表明,引力是会对光产生一定影响,导致红移,但这种效应仅在很低水平,显然不足以解释哈勃的观测结果。兹威基则通过指责观察结果来反驳,声称这些结果可能被夸大了。事实上,他甚至怀疑哈勃和赫马森的诚信,暗示他们的团队可能滥用他们的特权控制了世界上最好的望远镜。兹威基声称:“他们的年轻助手中拍马屁者因此有机会修改他们的观测数据,来掩饰他们的缺点。”
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虽然这种直言不讳的行为肯定会使许多科学家对兹威基感到反感,仍然有一些人加入了他的光疲劳兵团。甚至他的显然错误的物理都没使他们掉头,因为兹威基在研究上有一项无可挑剔的良好记录。事实上,在他的职业生涯中,他曾在超新星和中子星等领域做出过开创性的工作。他甚至预言了暗物质的存在。暗物质是一种神秘的不可见的实体,最初提出时受到嘲笑,但如今已被广泛接受为一种真实的存在。光疲劳理论似乎同样可笑,但也许它同样会被证明是正确的。
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然而,“大爆炸”的支持者完全拒绝“疲劳”的概念。他们认为,它充其量也只能说明观测到的一小部分红移。作为大爆炸阵营的代表,亚瑟·爱丁顿这样总结了他认为的兹威基理论的错处:“光很奇怪——甚至比我们20年前能想象的更奇怪——但如果奇怪得离谱我还是会感到惊讶。”换句话说,爱因斯坦的相对论已经改变了我们对光的理解,但在解释哈勃红移的问题上并没有为光疲劳理论留下空间。
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虽然爱丁顿攻击兹威基的光疲劳理论,赞同勒迈特的原始论文,但他仍然对宇宙的起源问题保持了一种相对开放的心态。爱丁顿认为,勒迈特的思想很重要,值得更广泛的受众了解,这就是为什么他会向专业期刊推荐这一学说,并帮助翻译这位比利时人的工作,但他并不完全信服整个宇宙突然诞生于原始原子衰变的思想:“从哲学上说,我讨厌这种自然当前的秩序有一个开端的思想。我想找到问题真正的结症所在……作为一名科学家,我不可能就这么轻易相信宇宙始于一声巨响……它没法让我信服。”爱丁顿认为,勒迈特的创生模型是一种“太过缺乏美感的突变”。
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