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1700926858 宇宙学家又是如何看待大爆炸与稳恒态的这场辩论的呢?在整个20世纪50年代,科学界因此被分裂。1959年,《科学新闻快报》进行了一项调查,要求33位杰出的天文学家公开他们的立场。结果显示,11位专家支持大爆炸模型,8位支持稳恒态模型,其余14位要么不确定,要么认为这两个模型都是错误的。在代表宇宙的真相方面,两种模型都坚信自己是强有力的竞争者,但双方都没有得到大多数科学家的广泛支持。
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1700926860 缺乏共识的原因是,支持和反对这两种模型的证据都是不确定的,甚至是矛盾的。天文学家们是在技术条件和认识上的理解均非常有限的状况下进行观测的,因此,从这些观测中推断出的“事实”需要高度谨慎地处理。例如,对星系退行速度的每一次测量可以称为一个事实,但评论界对于这个事实难置一词,因为要想理解它牵扯到非常复杂的逻辑和观察链。首先,对退行速度的测量依赖于对星系微弱光线的探测,需要假设这些光线在通过干扰性的空间和地球大气时如何受到或不受影响;其次,必须测量光的波长,并确定发出这种光的星系原子;第三,必须确定谱线的频移,并通过宇宙的多普勒效应将这一频移与退行速度联系起来;最后,天文学家们还必须考虑所有设备及其使用过程——如望远镜、光谱仪、底片甚至显影过程——的固有误差。这是一套非常复杂的逻辑链,天文学家必须对每一个步骤都非常有信心。实际上,在宇宙学里,对星系的退行速度的测量已属于较为确定的事实。其他学科领域的逻辑链更复杂,更让评论界莫衷一是。
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1700926862 在支持或反对大爆炸或稳恒态模型都没有确凿证据的情况下,许多科学家将他们对宇宙模型的偏好建立在直觉或是对那些捍卫对手模型的人的人格尊重的基础上。这种情形在丹尼斯·席艾玛身上表现得尤为突出。他将成为20世纪的最重要的宇宙学家,正是在他的指导下有了斯蒂芬·霍金、罗杰·彭罗斯和马丁·里斯的工作。席艾玛自己曾受到霍伊尔、戈尔德和邦迪的启发,称他们对“像自己这样的年轻人具有令人振奋的影响力。”
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1700926864 席艾玛发现自己也受到各种理论的哲学方面的吸引:“稳恒态理论开创了这样一种令人兴奋的可能性:物理学定律可能确实通过要求宇宙的所有特征都是自我传播的……决定了宇宙的内容。因此,自我传播的要求是一个强有力的新原则,借助于这一新原则,我们第一次看到了回答下述问题的可能性:为什么事情都不像它们被谈论的那么简单?因为它们是自在的。”
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1700926866 后来他发现他偏爱稳恒态胜于大爆炸的另一个原因是:“这似乎明显是唯一的允许生命延续的模式。生命总要在某处延续……即使这个星系老了,死了,总会有新的年轻的星系诞生出来,在那里生命将继续演化。因此,薪火相传永世不绝。我想在我看来这可能是最重要的事情。”
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1700926868 席艾玛选择稳恒态模型的主观原因很大程度上是宇宙学的不确定性和混乱的症状。在20世纪肇始,宇宙学是一个令人满意的学科,一个永恒不变的静态宇宙已深入人心,但20世纪20年代的测量结果和新的理论表明,这一观点显然不能令人满意。不幸的是,两种新出现的替代品没有一个是完全令人信服的。稳恒态宇宙学属于原始的永恒静态的世界观的修订版,但支持它或反对它的观测证据非常少。大爆炸宇宙学是一种更激进和更具颠覆性的宇宙论观点,既有支持它的证据也有反对它的证据。总之,宇宙处在浴火重生的当间儿。或者更专业点说,宇宙学正处在范式转变的过程中。
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1700926870 科学史的传统观点认为,对科学的理解是通过一系列细微变化逐步发展来的,先是公认的理论在几十年间不断得到微调,然后是新理论从旧理论中脱胎而出。这是一种由达尔文的进化论和自然选择原理发展而来的科学发展观。理论发生变异,然后在适者生存的原则下,那些最符合观察结果的理论被采纳。
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1700926872 然而,科学哲学家托马斯·S.库恩认为,这只是故事的一部分。1962年,他写了一本书叫《科学革命的结构》,在其中他将科学进步描述为“平静期不断被智力暴力革命打断的一系列过程”。所谓平静期是指这么一段时期,在此期间理论处于前述的渐变演化阶段。但每隔一段时间,思维就会有重大转变,这种转变被称为范式的转变。
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1700926874 例如,天文学家在几个世纪里一直对宇宙的地球中心说范式修修补补,不断加入本轮和均轮,以使模型与太阳、恒星和行星的观测路径更切合。渐渐地,对行星轨道的预测出现一系列问题,在自然哲学上持保守主义的大多数天文学家选择忽略,坚持尊崇现有的范式。最后,当问题堆积到不能容忍的地步后,如哥白尼、开普勒和伽利略这样的挑战者就会站出来提出一种新的太阳中心说的范式。经过几代人的努力,整个天文学界抛弃了旧的范式,转移到新的范式。此后,一个新的稳定的科学时代开始了,研究模式建立在新的基础和新的范式上。地球中心说不是演变成太阳中心说,而是被后者所取代。从原子的葡萄干布丁模型到卢瑟福的核模型的转换是这种范式转变的另一个例子。从充满以太的宇宙到没有以太的宇宙的转换也是如此。在每一种情况下,新的范式一旦适时闪现,而旧的范式已经完全不可信,那么从一种范式到另一种范式的转移就会发生。转移的速度取决于许多因素,包括支持新范式的证据分量以及旧范式抗拒改变的程度。年长的科学家,在旧范式下付出了太多的时间和精力,通常都是最后接受改变,而年轻的科学家们一般都更喜欢冒险并持开放的态度。只有当老一代人退出了科学生活,年轻一代已成为新的权威,范式的转变才可能完成。旧范式可能已经盛行了几个世纪,因此持续了几十年的转换期还是比较短的。
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1700926876 在宇宙学领域,情况有点不同寻常,作为旧范式的静态的、永恒的宇宙已经被抛弃(因为星系显然不是静态的),但却出现了两个互不相让的新范式:稳恒态模型和大爆炸模型。宇宙学家们希望,这一不确定时期和冲突能通过寻找到无可争议的证据予以结束。这些证据将证明这两种新模型中有一个是正确的。
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1700926878 为了解决我们到底是生活在大爆炸的余波之中还是处于稳恒态之中,天文学家必须将重点放在一系列关键性判据上,它们是确立两个竞争性模型哪一个能胜出的关键。这些判据总结在表4中,其中每一项判据都给出了简要评估,用以指示在1950年的可用数据基础上看哪个模型较为成功。
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1700926880 虽然这个表不包括区分两个模型优劣的每一项潜在准则,但它已将主要判据包含在内,如每个模型的解释各种元素的丰度的能力。就第二项判据来看,大爆炸模型能准确地解释宇宙中氢和氦的丰度,但对于更重原子的丰度则无能为力。大爆炸模型因为在这一点上只是部分成功,故吃了个问号。稳恒态模型在这里也有疑问,因为我们不清楚在退行星系之间产生的物质是如何发展形成我们所观察到的原子丰度的。
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1700926882 两个模型不仅必须解释各种原子的形成及其丰度,而且还得解释这些原子如何聚集在一起形成恒星和星系——表4中的第三个判据。这个问题在前面章节里没做细节上的讨论,它向大爆炸模型提出了一个大问题。宇宙在创生后迅速膨胀,这将使意欲形成的婴儿星系变得被拉散。同时,由于大爆炸宇宙只有有限的历史,因此星系演化只有10亿年左右——这是一个相对较短的时间尺度。换句话说,没有人能够解释星系是如何在大爆炸模型的背景下形成的。稳恒态理论在这个问题上较为自信,因为永恒宇宙间允许星系有更多的时间进行演化。
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1700926884 反映两个竞争性模型具体的成功和失败的两列里包含了“√”、“×”和“?”,因此无论哪一个理论都不能完全令人满意。因此我们可以想像,接受大爆炸模型的宇宙学家可以通过解释宇宙的某些方面来消除它们之间的分歧,同样,赞同稳恒态模型的宇宙学家也可以解释其他一些问题来做到这一点。然而,宇宙学不是可以共享荣耀的竞赛。大爆炸模型和稳恒态模型在最基本的层面上是矛盾的和不相容的。一种模型宣称宇宙是永恒的,而另一种则声称宇宙是创生的,它们不可能都正确。假设两种模型中只有一种是正确的,那么最终取得胜利的这个就必然粉碎其竞争对手。
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1700926886 表4
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1700926888 下表列出了可以判断大爆炸模型和稳恒态模型孰是孰非的不同判据。它显示的是在1950年所获数据的基础上这两个模型的表现。“√”和“×”给出每个模型在相关判据前的大致优劣,问号表示该项缺乏数据或赞同和不赞同的难辨胜负。判据4和5的问号是由于缺乏观测数据。
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1700926896 时标困难
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1700926898 大爆炸的支持者所面临的最紧迫的问题是表4中的第六项判据——宇宙年龄。打叉突显出大爆炸模型的荒谬:宇宙要比它所含的恒星年轻。这就像一位母亲比女儿年轻一样荒谬——恒星肯定不能比宇宙本身更年长吗?第3章描述了哈勃是如何测量到星系的距离以及它们的视速度的。随后大爆炸宇宙学家将这个距离除以速度推断出,大约在18亿年前宇宙的总质量集中于创生的一个点上。但对岩石的放射性测量表明,地球至少有30亿岁,于是逻辑上形成这样一个局面:恒星更古老。
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1700926900 甚至支持大爆炸学说的爱因斯坦也承认,这一问题可能会推翻模型,除非有人能找到断然的证据:“宇宙的年龄……肯定大于由矿物质的放射性得出的地球地壳的年龄。由于通过这些矿物质确定的年龄从各方面看都是可靠的,因此如果发现存在违背这一结果的矛盾,那么[大爆炸模型]将被推翻。对此我看不出有什么合理的解决办法。”
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1700926902 这种年龄差异被称为时标困难,一个并未真实反映出它所引起的大爆炸模型的巨大尴尬的术语。解决年龄悖论的唯一途径是发现对远处星系距离的测量或是对其速度的测量上存在错误。例如,如果远处星系的距离比哈勃估计的大,那么到达那个星系所需的时间就要比按目前距离估计的时间长,这将意味着宇宙的年龄比现在估计的要大。或者,如果星系退行的速度比哈勃估计的要慢,那么就需要更长的时间才能到达该星系,这同样意味着一个更古老的宇宙。然而哈勃作为世界上最受尊敬的观测天文学家,向以精确和勤奋闻名,所以没有人真正怀疑他的观测的准确性。何况他的测量结果已得到其他人的独立检核。
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1700926904 当美国加入二战后,天文观测和主要观测站的活动在很大程度上陷于停顿。随着天文学家献身祖国,试图解决大爆炸与稳恒态模型之间争论的任何计划均被推迟。甚至连哈勃,当时已年届五十,也离开了威尔逊山,受命领导马里兰州的阿伯丁弹道试验场,成为华盛顿特区以外的最高文职官员。
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1700926906 留在威尔逊山的唯一高级人员是沃尔特·巴德,一位在1931年就加入了天文台工作人员队伍的德国流亡者。尽管已在美国生活工作了10年,但他仍然受到怀疑,被禁止参加任何军事研究项目。从巴德的角度来看,境况并不算太坏,因为他现在成了久负盛名的100英寸胡克望远镜的唯一使用者。此外,战时灯火管制消除了洛杉矶郊区恼人的光污染,将观测条件提高到1917年望远镜建成以来前所未有的水平。唯一的问题是,巴德的敌国侨民身份使得他被限于从日落到日出这段时间不得离开他的住所,这对一个天文学家来说很不好受。巴德向有关当局指出,他已经在办理申请入籍美国的手续,并最终让他们相信他不是一个安全隐患。经过短短的几个月,当局便取消了对他的宵禁,尽管他仍不能进行军事研究。巴德有了在理想的观测条件下自主使用世界上最好的望远镜的机会。他还设法配制出非常灵敏的底片,拍摄了无与伦比的清晰图像。
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