伽莫夫團隊對「宇宙大爆炸」的歷史遺產,也就是「宇宙微波背景輻射」做了一個預測,但他們的研究成果卻被冷落了,其中有許多原因:
首先,即便是伽莫夫團隊的「熱大爆炸模型」所計算出的氫和氦的丰度與實際的觀測非常符合,但這種計算免不了人們的懷疑。許多人抱有成見地認為他們為了得到想要的結果而構建理論模型,這就好比我們上學的時候,先知道題目的答案,然後再拼湊一個計算過程,使得計算過程只是和答案看起來好像一樣而已。
此外,伽莫夫團隊的「熱大爆炸模型」理論不能解釋比氦等更重的元素起源問題。另外,還有一個非常重要的原因,那就是伽莫夫的性格有別於其他研究學者的那種嚴肅。伽莫夫天性風趣幽默,在和阿爾弗發表他們的第1篇論文的時候,伽莫夫名字的諧音是γ,阿爾弗名字的諧音是α,為了與論文發表時間4月1日愚人節的氣氛相配合,他還在論文中拉入了沒有對論文做任何貢獻的另外一位物理學家漢斯·貝特,只是因為他的名字裡有一個類似於β的貝特,後來在另外一名學者羅伯特·赫爾曼加入了伽莫夫的團隊以後,伽莫夫還力勸赫爾曼改名為θ,只是後者委婉地拒絕了。一個愛開玩笑的人提出的理論,人們多半也會認為這只是一個玩笑。
除了以上那些原因,還有一個更重要的原因,就是——許多天文學家心中的「靜態宇宙觀」是根深蒂固的。英國天文學家、物理學家愛丁頓,就是那個透過星光偏轉實驗證明了愛因斯坦/廣義相對論的人,他曾經說過:“作為一名科學家,我完全不相信宇宙開始於大爆炸的說法。”
天文學家對「靜態宇宙觀」的偏愛甚至還帶著一點固執,在一眾抱有「靜態宇宙觀」的天文學家當中,有一位是最傑出的,他主導並提出了一個在上世紀50~60年代與「大爆炸模型」抗衡的、新的宇宙模型——「穩恆態宇宙模型」,而這位天文學家就是英國人弗雷德·霍伊爾。
劍橋三人組·「穩恆態宇宙」霍伊爾、邦迪和戈爾德,他們三個人都畢業於劍橋大學,他們為“劍橋三人組”,三個人算得上是同齡人,最大年齡差只有5歲,霍伊爾年紀最長,邦迪小四歲,戈爾德的年紀最小。二戰結束以後,他們帶著在戰爭的時候就建立的友誼,一同回到了劍橋大學,開始了對宇宙模型的研究,他們開始思考這樣一個問題——整個宇宙是否真的產生於十幾億年前的那麼一瞬間嗎?在此理論框架下,按照哈勃常數算出的宇宙年齡只有18億年,而當時用同位素測量地球的年齡至少有34億年,宇宙的年齡怎麼還要比地球更年輕呢?
哈勃所觀測到的宇宙正在膨脹的證據毋庸置疑,如果今天的宇宙正在膨脹,那就說明昨天的宇宙比今天更小,前天比昨天還小,這樣就很自然地能夠推出在過去的某個時刻,宇宙小到了不能再小的極致,而這個極致的時刻就是宇宙的開端,這是一個很自然的想法,但“劍橋三人組”是不接受宇宙有開端的。
那麼有什麼辦法讓宇宙既能膨脹又沒有開端呢?
“劍橋三人組”都是聰明絕頂的人,就連獲取靈感的方式都是那麼地與眾不同,因為他們的靈感竟然來自於一部恐怖電影,這是一部叫做《深夜》的電影,1945年9月上映。講的是一個建築師陷入時間迴圈的故事,故事的主人翁醒來以後發現他做過的每一件事、見過的每一個人都曾經出現在他的夢中,而當他再次醒來又繼續做著同樣事、見著同樣的人,直到下次醒來。
他們的靈感就是——雖然建築師從一次醒來到下次醒來的這段時間內,他做了很多的事情,但終究還是回到了原點,總體上看什麼也沒有變。許多事物也是這樣的,雖然一直在變,但看起來就好像一點也沒有變一樣。就像一條大河,當它穩穩的流過時,如果你盯著河面上的一點來看,就會發現大體上沒有什麼變化,對此他們提出了「完全宇宙學原理」。
什麼是「完全宇宙學原理」?「宇宙學原理」是愛因斯坦為了廣義相對論引入宇宙學研究的時候提出的,根據宇宙學原理,宇宙中的物質分佈是均勻的、各向同性的,有人會問,宇宙怎麼可能是均勻的呢?我的旁邊就是空氣,我和空氣所組成的空間密度根本不均勻,實際上這種均勻性指的是宇宙中的物質分佈在大尺度上,至少是在星系的尺度上是均勻和各向同性的。
“劍橋三人組”發現愛因斯坦提出的宇宙學原理有一個問題,那就是——宇宙學原理適用於當前的時間,那麼它是否適用於以前的宇宙和以後的宇宙呢?
為了保證目前的宇宙規律不僅適用於宇宙的各個地方,而且要適用於宇宙的各個時期,那麼就必須將宇宙學原理推廣到時間的維度上,即在任何宇宙時間上來看,宇宙學原理都是成立的,這樣一來,如果把當前的宇宙學原理稱為“普通的宇宙學原理”,那麼擴大到時間維度上的宇宙學原理,便被稱為——「完全宇宙學原理」。滿足「完全宇宙學原理」的宇宙,無論是在時間上還是空間上都是穩定的,因此也稱作「穩恆態宇宙」。
「穩恆態宇宙」的觀點與愛因斯坦最初的靜態宇宙是不同的,靜止的宇宙一定是穩恆態的宇宙,但是穩恆態宇宙並不意味著宇宙是靜止的。
“劍橋三人組”研究宇宙模型的時候,哈勃所發現的星系正在遠離,宇宙正在膨脹,這個已經得到了科學界共同的認可,他們當然不會提出一個與現實觀測背道而馳的理論,「穩恆態宇宙」與宇宙膨脹是相互相容的。“劍橋三人組”提出了一個激進的想法——如果要讓宇宙膨脹,又要保持宇宙的物質密度不變,唯一的辦法就是要有新的物質不斷地冒出來,這樣才能抵消宇宙膨脹對物質密度的稀釋作用。
這個想法乍一聽覺得有點天方夜譚,宇宙怎麼可能不斷地創生新的物質呢?但是仔細想一想,“劍橋三人組”的想法是宇宙不斷創生物質,而伽莫夫的「熱大爆炸模型」要求宇宙先是爆炸,然後變成一鍋原子湯,然後再變成離子湯,然後才慢慢冷卻成為我們現在的世界。
「穩恆態宇宙」既然新的物質可以不斷地被創造出來,那麼它們是在哪裡產生?又是如何產生的呢?霍伊爾解釋是——對宇宙膨脹的補償,它需要物質產生的速度並不高。
大概就是在人民大會堂那麼大的體積中,每個世紀產生一個氫原子,對宇宙膨脹的補償需要物質產生的速度非常小,遠遠超過任何實驗所能直接探測的範圍,為了解釋這些原子的產生,霍伊爾提出了“產生場”的概念,這個完全假想的實體滲透到了整個宇宙,自發地產生原子並維持現狀。霍伊爾自己也承認,他不知道 “產生場”背後的物理,但在他看來這種物質不斷生成的模型要遠比全能的「大爆炸模型」更為明智。
一山不能藏二虎「穩恆態宇宙」學說的提出時間是1948年,這與伽莫夫小組提出「大爆炸」學說是在同一年,一山是不能容二虎的,宇宙模型也很難使兩個學術共存,霍伊爾和伽莫夫可都不是善茬,所以一場激烈的“比賽”肯定是不可避免的。
首先發難的是伽莫夫,由於大部分「穩恆態宇宙模型」的支持者都是來自於英格蘭的,於是伽莫夫就用這一點來奚落霍伊爾,「穩恆態宇宙模型」在英國是如此受歡迎並不奇怪,這不僅是因為“劍橋三人組”都是英國人,而且還因為他們曾經是大不列顛維繫歐洲現狀的政策。伽莫夫借典型的英國保守主義來諷刺這三個頑固不化冥頑不靈的“老學究”,但事實上這個評價對霍伊爾是相當不公平的。霍伊爾可不是一個保守的學者,他提出過不少質疑傳統觀念的想法,因為提出物質要不斷地被創造出來,他的「穩恆態宇宙模型」是對更偉大、更權威的物質不滅定律的否定。除此之外,霍伊爾還懷疑過達爾文進化論的正確性。
當然,霍伊爾也嘲笑過伽莫夫的團隊英國國家廣播公司,也就是我們現在經常看許多紀錄片的BBC,邀請霍伊爾在第3套節目中做了一檔連續5講的系列講座,最後一期講座當提到宇宙的模型時,他為伽莫夫小組提出的“宇宙起源學說”起了一個帶有侵略性的詞語——Big Bang .
事實上,「宇宙大爆炸」這個詞就是從Big Bang翻譯而來的,也是從這個節目才傳開的,在歷史上直到20世紀50年代以後才逐漸使用這個名稱,之前普遍使用的名稱是「動態宇宙演化模型」。
BBC的這檔節目非常有名,於是“Big Bang”這個外號一下子就傳開了,“Big Bang”這個詞與「動態宇宙演化模型」相比,雖然在專業程度上和準確描述程度上都遜於後者,而霍伊爾本身也想用“Big Bang”這個詞來嘲笑一番,但誰都沒的想到的是,他的這種來處於反對者真情實感,卻讓「動態宇宙演化模型」有了一個更加生動和形象的名稱。
1993年,《天空》和《望遠鏡》這兩本雜誌曾經發起過一次取代“Big Bang”的徵名大賽,許多牛人組成了豪華的評審團,他們在來自41個國家的13,099條候選名稱中,竟然沒有找到一個能夠比“Big Bang”更加貼切的名字,於是“Big Bang”也就是大爆炸這個膾炙人口的名字來源竟是反對者的嘲笑。
霍伊爾和伽莫夫的才華可真的不限於爭辯,他們倆誰也不服誰,為了尋求大眾的支援,在明爭和暗鬥中,兩人還幹了不少科普工作,兩人都面向公眾發表了許多暢銷的科普作品,不僅是寫科普讀物,還包括小說、話劇等,兩個人在向公眾普及科學方面都有著巨大的影響力,這就是為什麼他們倆都能獲得聯合國教科文組織為普及科學設立的「卡林加」獎,伽莫夫於1956年獲獎,而霍伊於1967年獲獎。
「卡林加」獎被稱為科普界的諾貝爾獎,由印度工業家帕特奈克創立,「卡林加」獎的名稱取名來自於公元前2世紀的皇帝——卡林加,他是位反對戰爭熱心科學、文化與事業的皇帝,獲獎者必須在其職業生涯中致力於向大眾介紹科學研究和技術,同時致力於在國際上宣傳科學技術的重要性,這個獎項也有中國人的足跡,2013年中國科學家李向義就獲得了「卡林加」獎,「卡林加」獎的範圍不僅僅包括科學家還有新聞工作者、教育家、作家等,所以並不是只有科學家才能做科普工作,因此只要認真地在為大眾傳播科學就有可能獲獎。
關於宇宙如何創生這個爭論已經不僅僅只在科學界了由於伽莫夫和霍伊爾發表了許多科普書籍和廣播節目,關於宇宙如何創生這個爭論已經不僅僅只在科學界了,爭論也蔓延到了公共領域,天主教會也不忘在這個時候湊個熱鬧,比如——教皇庇護十二世,於1952年11月22日在教皇科學院發表了一篇《鑑於現代自然科學上帝存在的證明》的演說,教皇強烈贊同「大爆炸模型」,並將它看作是創世紀的科學解釋,是上帝存在的證據。
民眾更喜歡「穩恆態宇宙模型」,因為在這樣的宇宙中,像人類這樣的生命能夠永遠地存在,生命總會延續,即便是在太陽系中無法生存,也總會有新的年輕星系誕生出來,人類依舊可以在那裡生存繁衍,人們從情感上更偏向於薪火相傳永世不絕的理論,到底這場辯論會去向何方呢!咱們下回分解。
未完·待續......05
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