哈勃的发现

哈勃的发现

我们的宇宙是如何、为何、以及何时开始的？它有多大？其形若何？又由何物构成？任何一个有好奇心的孩子都有可能会问这些问题；现代宇宙学家为作出回答已奋斗了好几十年。对于科普作家来说，宇宙学的一个诱人之处乃是其前沿领域中有那么多的问题很容易表述。试看量子电子学、神经生理学、脱氧核糖核酸定序、或者纯数学的前沿论题，你将会发现，要把专家们的问题翻译成大众化的日常语言那真是谈何容易。直至20世纪早期，无论是哲学家还是天文学家都没有对下述想法提出过疑问：存在着一个固定的空间背景舞台，行星、恒星以及所有其他的天体都在这个舞台上表演它们的动作。虽然也可以看到一些变化，但是它们都被想象成相对于固定的空间而发生，犹如在桌面上滚动的台球一般。然而，在20世纪20年代，这种简单的图景发生了变化，造成这种变化的首先是一些物理学家，当时他们正探究爱因斯坦对于引力的新解释会导致什么样的后果；然后是美国著名天文学家爱德温·哈勃（Edwin　Hubble）对遥远星系中星光颜色的新观测结果。

哈勃利用了波的某种简单性质，即如果波源离开接收者远去，那么被接收到的波的频率就会降低。为了阐明这一点，可以放你的手指在一泓静水里上下颤动，并注视波峰远去而抵达水面上的另外某点。现在，在你制造波时，将你的手指往远离刚才那个接收点的方向移动。这时，由于各个波峰被接收到时，彼此间要比产生它们时离得更远，就降低了它们被接收到的频率。现在，你再在制造波的时候将手指朝接收点移动，波的频率就会增加。所有的波都具有这种性质。在声波的情况下，这种性质导致从你身旁驶过的火车的笛音变化；警车从你身旁经过时，也是出于同样的道理，报警器的音高发生变化。光也是一种波；当光源离开观测者远去时，光波频率降低，这意味着观测到的可见光颜色稍稍变红。因此，这一效应被称为“红移”。当光源迎着观测者而来时，接收频率增高，可见光变得较蓝，称为“蓝移”。

哈勃发现，他看见的来自星系的光呈现某种系统性的红移。将星系中特定原子发射的光的颜色和地球上实验室内同种原子发射的光进行比较，哈勃可以确定光源正以什么速度退行。比较同一类型恒星（它们具有相同的固有亮度）的视亮度，他又能推算出它们和我们之间的相对距离。哈勃发现，光源越远，它离我们而去的速度就越快。这种趋势称为“哈勃定律”。

哈勃发现的是宇宙的膨胀。取某种一成不变的背景，我们可以在这一背景上循踪行星与恒星在小范围内的“游荡”，代之的是，哈勃发现遥远的恒星系统正在“逃离”我们而去：一切都处于某种动态的变化之中。这是20世纪最伟大的科学发现。这项发现证实了爱因斯坦的广义相对论对宇宙所作的预言：宇宙不可能是静态的。众多的星系和恒星之间的引力作用将它们相互往一起拉，除非它们彼此分道扬镳。在这两种情况下，宇宙都不可能静止不动。如果宇宙正在膨胀，那么我们很快就能觉察到它正在发生变化；在某种意义上，它正在“变大”。倘若我们倒转历史的方向，即朝着回顾往昔的方向前进，那么我们就应该发现宇宙从某个更小、更密的状态，其尺度似曾一度为零，变化而来的证据。这种表观上的开端，已被人们称为“大爆炸”。不过，我们走得太快了。在我们开始钻研过去之前，关于宇宙现时的膨胀，应该先弄清楚一些重要的事情。

首先，到底是什么正在膨胀？在电影《安妮·霍尔（Annie　Hall）》中，伍迪·艾伦坐在其精神病医师的躺椅上，述说他对宇宙膨胀的焦虑：“毫无疑问，这意味着布鲁克林正在膨胀，我正在膨胀，你正在膨胀，我们全都在膨胀……”。谢天谢地，他错了。我们并没有膨胀，布鲁克林并不在膨胀，地球并不在膨胀，太阳系也不在膨胀，事实上，银河系也不在膨胀。甚至我们称之为“星系团”的那些由成千上万个星系组成的集团也没有膨胀。这些物质集合体都由化学力或引力束缚在一起，它们各个组成部分之间的这些力要比膨胀的力量更强大。只有当我们超出由成百上千个星系组成的巨大星系团的尺度时，我们才会看到这种压倒局部引力拉曳的膨胀。巨大的星系团是宇宙膨胀的标记。我们也许可以借助于一个正在胀大的气球表面上的尘粒，来简单想象一下这种膨胀的图景。这个气球将越胀越大，那些尘埃将会互相远离，但每个尘粒本身却并不会以同样的方式膨胀。

其次，我们也许会怀疑，哈勃的发现似乎意味着所有的遥远天体均远离我们而去。为什么是“我们”呢？如果我们对科学史有所了解，就一定知道哥白尼（Copernicus）证明了地球并不位于宇宙的中心。肯定地说，要是我们认为一切都正在远离我们而去，那么我们岂非又把自己恢复到了无垠宇宙之中心位置上了吗？但是，情况并非如此。膨胀的宇宙并不像源于空间中某一点的一场爆炸。并不存在宇宙向其中膨胀的任何固定背景空间。宇宙包容了客观存在的全部空间！

设想空间如同一块弹性膜，而不是一块平的桌面。在这个具有韧性的空间上，物质之存在与运动造成了这块弹性膜的弯曲与凹陷。我们的宇宙的弯曲空间，如同某个四维球上的三维表面。我们无法直观地看透这一点。设想我们的宇宙是一块只有二个空间维度的“平地”。这时，它就好像某个不难描绘的三维球的表面。现在再设想这个三维球可以变大，如我们在下面描绘的膨胀气球。这个气球的表面变大了，它是一个正在膨胀的二维宇宙。如果我们在它上面标出两个点，那么随着气球的膨胀，这两个点就会彼此朝后远退。现在在这个气球的整个表面作出许许多多的标记，并再次将它吹胀起来。这时，无论你停留在哪个标记上，你都将发现其他所有的标记仿佛都随着气球的膨胀而离你远去。当你观察其他标记的退行时，你将会看到某种哈勃膨胀律。这个例子告诉我们，这个气球的表面代表了空间，但是气球膨胀的“中心”却根本不在那个表面上。在这个气球的表面并不存在膨胀的中心，也不存在任何边缘。你不可能掉出宇宙的边缘：宇宙不是膨胀到任何东西里面去。它就是存在着的一切。

至此，我们也许会产生一个问题：我们目睹的这种宇宙膨胀，是否会无限继续下去。如果我们朝空中扔一块石头，由于地球引力的拉曳，它将会落回地面。我们扔得越用力，就是把越多的能量给了这块运动着的石头，这块石头在就会上升得越高。现在我们知道，如果以每秒超过11公里的速度发射一枚导弹，它就可以彻底摆脱地球重力的拉曳。这就是火箭的临界发射速度。空间科学家们称它为地球的“逃逸速度”。

类似的考虑适用于任何受重力拉曳而迟滞减速的爆发或膨胀着的物质系统。如果往外运动的能量超过往内的引力拉曳产生的能量，那么它将超过其逃逸速度而一直保持膨胀。但是，如果重力在该系统各部分之间所施加的拉曳作用超过往外运动的力量，那么膨胀中的物体最终会重新回聚到一起，恰如前述的石块与地球之所为。正在膨胀的种种宇宙也都如此。在它们膨胀之初也有一个临界“发射”速度。如果它们膨胀得比这更快，那么宇宙中全部物质的引力拉曳将永远也不能制止这一膨胀，宇宙将保持永远膨胀下去。另一方面，如果“发射”速度小于该临界值，那么到头来膨胀将会停止并转为收缩，直至收缩到尺度为零而告终，与其开初时的状态全然相同。介乎上述两者之间，存在着一种称之为“英国式折中宇宙”的情况，它正好具有临界发射速度，即能使其保持永远膨胀下去的最小速度值。关于我们的宇宙，最不可思议的事情之一，就是它目前正以极其接近于临界状态的方式膨胀着。我们实际上还无法肯定地说出我们的宇宙处于这种临界状态的哪一边。我们不知道应该对我们的宇宙作出何种长期预报。

事实上，宇宙学家们认为，我们如此接近临界状态这一事实，乃是我们这个宇宙的一项特殊性质，对于它，人们应该作出解释。这种情况很难理解，因为如果它不是精确地以临界“发射”速度开始的话，那么随着宇宙的膨胀和成长，它就会离开该临界状态越来越远。这就成了一个很大的难题。我们的宇宙已经膨胀了大约150亿年，却依然如此接近于临界状态，以至于我们无法说出它究竟处于分水岭的哪一边。为了经历这么长的时间之后仍然如此接近于临界状态，宇宙的“发射”速度仿佛已经做过这样的“选择”：它与临界速度的差异不超过10³⁶（1后面跟着36个0）分之一。这是为什么呢？往后我们将会看到，人们对宇宙膨胀的最初时刻可能发生过什么事情所作的研究，为这种似乎极不可能的事态提供了某种可能的解释。但是在这里，我们将局限于了解为什么在膨胀上百亿年之后任何一个有人的宇宙，必须仍然非常接近于那种临界状态。

如果宇宙开始膨胀的速度远大于临界速度，那么重力就永远不能将局部的物质岛拉曳在一起，以形成恒星和星系。恒星的形成是宇宙演化中至关紧要的一步。恒星是聚集在一起的大堆物质，在其中心部分产生的压力大得足以启动自发的核反应。在恒星一生的历程中，我们的太阳正处在这一历程的中途，有一个漫长的稳定时期，在整个这一阶段中，恒星内部的氢燃烧而生成氦。但是在它们一生的最后阶段，恒星遇到了某种核能危机。它们经受某种快速变化的爆发阶段，在此期间氦燃烧而形成氧、硅、磷、碳、氮，以及一切在生物化学中起着至为重要的作用的其他元素。当恒星以超新星的形式爆发时，这些元素被洒入太空，并通过各种途径最终融入各种物质行星、颗粒以及人体中去。恒星是种种复杂事物和生命赖以存在的一切化学元素的源泉。我们人体中的每一个碳原子核都起源于恒星中。

这样，我们就看到，膨胀速度远大于临界状态的宇宙将永远不会产生恒星，所以永远不能产生为造就像人类那样复杂的“活”物、或者以硅为基础的计算机所需的构件。类似地，如果一个宇宙以较临界速度慢得多的速度开始膨胀，那么在积累足够的时间以供恒星形成、爆发、并创造出生命物质的部件之前，它的膨胀就将逆转为收缩。这就再次留下了一个不能产生生命的宇宙。于是，我们就得到一个令人惊异的结论：只有那些历经了数十上百亿年之后其膨胀依然十分接近临界状态的宇宙，才能产生出必要的“部件”，以供拼成足以被称为“观测者”的复杂结构。我们不应为发现自己的宇宙膨胀竟如此接近临界状态而惊奇。我们不能存在于任何其他种类的宇宙里。