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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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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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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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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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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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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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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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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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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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表4
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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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时标困难
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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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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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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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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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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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巴德在研究被称为天琴RR型星的过程中度过了战争年代。天琴RR型星是一种类似于造父变星的变星。在哈佛天文台与亨丽埃塔·莱维特一起工作的威廉米娜·弗莱明曾表明,天琴RR型星的光变特性可以像造父变星一样用于距离测量。但到那时为止,她的这项技术仅限于在银河系内被采用,因为天琴RR型星的发光不像造父变星那么亮。不过,巴德的雄心是想用理想的观测条件去发现仙女座星系里的天琴RR型星。仙女座是离我们最近的大星系。这样,他就可以利用天琴RR型星的光变特性来测量仙女座的距离,并与之前基于造父变星测得的距离进行交叉检验。
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事实上,巴德很快就意识到,仙女座的天琴RR型星的距离超出了100英寸胡克望远镜所能够得着的范围。因此他只好用这架100英寸的仪器对银河系里的这些恒星进行观测,为日后采用200英寸的望远镜做准备,这架望远镜将很快在战后完成建造。他乐观地认为,新的巨型望远镜将使仙女座的天琴RR型星纳入视线范围。
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200英寸的望远镜——乔治·海耳的最大的天文学工程——建在威尔逊山东南方200千米外的帕洛玛山上。在它开始建设的两年后,海耳就于1938年去世了。因此海耳没有机会看到有史以来获得的最壮观的宇宙景象。当这架仪器最终完成后,它被命名为海尔望远镜。
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1948年6月3日,洛杉矶的各界名人出席了这架望远镜的落成典礼。面对坐落于1000吨旋转圆顶下的这架巨型仪器,宾客们惊叹不已。它的凹面镜抛光精度为1毫米的百万分之五十。当影片《赏金兵变》的主演巨星查尔斯·劳顿被问到海耳望远镜是否给人震撼时,他回答说:“极其震撼,我的天!简直可怕极了。他们打算用它做什么?开始与火星打仗吗?”
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到海耳望远镜完全就绪时,威尔逊山和帕洛玛山两大天文台的研究力量配备也已完全到位。尽管如此,巴德在寻找仙女座星系天琴RR型星方面还是要领先一步。这要归功于他在二战期间用100英寸望远镜打下的良好基础。他立刻将新的200英寸望远镜对准仙女座星系,搜寻其微弱的恒星亮度的快速变化,这是天琴RR型星的指征。
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