物理群星
1931 天体与宇宙学

原初原子

The Primeval Atom

如果宇宙在膨胀,把时间倒过来放,一切必定曾聚在一点。一位比利时神父由此提出宇宙有个开端——嘲讽者给它取名「大爆炸」。

当时的困境

二十世纪初,「宇宙」和「永恒不变」几乎是同义词。恒星有生有灭,但宇宙整体被默认为静止、无始无终。

爱因斯坦 1917 年把广义相对论用到整个宇宙上时,遇到了麻烦:方程给出的解不是膨胀就是收缩,静止解压根不存在。他的处理办法是往方程里加一项宇宙常数 Λ,硬把宇宙撑成静止的。他后来称这是自己一生最大的错误。

1922 年苏联数学家弗里德曼指出方程本来就允许膨胀解,爱因斯坦先是说他算错了,后来撤回了指责,但仍认为那只是数学游戏,没有物理意义。弗里德曼 1925 年病逝,年仅三十七岁。

观测这边同样含混。斯里弗从 1912 年起测出许多「旋涡星云」的谱线红移,说明它们在远离我们,可当时连这些星云是不是银河系外的独立星系都还在争论。红移是有的,没人知道它意味着什么。

洞见时刻

1927 年,比利时神父乔治·勒梅特发表了一篇论文,标题很长:《一个质量恒定、半径增长的均匀宇宙,用以解释河外星云的径向速度》。

他做了三件事。第一,独立于弗里德曼重新推出了膨胀宇宙解。第二——这是关键——他把它与观测连起来:如果空间本身在膨胀,那么星系的退行速度应当正比于它的距离。第三,他用当时能拿到的数据估出了那个比例系数。

也就是说,1927 年他就写下了后来被称为哈勃定律的关系,并给出了哈勃常数的一个估值。

论文发在《布鲁塞尔科学学会年鉴》上,几乎没人读。同年索尔维会议上他找机会向爱因斯坦当面说明,得到的回答是:你的计算是对的,但你的物理糟透了。

两年后,哈勃用威尔逊山的一百英寸望远镜发表了同一条关系,观测数据好得多,全世界震动。

1931 年爱丁顿意识到勒梅特那篇的分量,安排译成英文重新发表。译文里少了他估算膨胀率的那一段,此事后来被怀疑过几十年,直到 2011 年在档案里找到他本人的信才澄清:是他自己删的。

同一年,勒梅特迈出了更大的一步。他在《自然》上提出:既然宇宙在膨胀,把时间倒推回去,一切物质必定曾聚在一起。他把那个起点称作「原初原子」——一个包含全部宇宙质量的量子,它的爆裂就是空间与时间的开始。

涟漪效应

这个想法在当时听起来像神学。稳恒态宇宙学的支持者霍伊尔在 BBC 广播里嘲讽它是「大爆炸」(Big Bang),这个带贬义的绰号最后成了教科书上的正式名称。

伽莫夫和他的学生阿尔法、赫尔曼在 1940 年代把它做成了可计算的物理:如果宇宙曾极热极密,最初几分钟的核反应会造出特定比例的氢和氦——这个比例可以观测检验,结果对上了。他们还预言,那个火球的余晖今天应该还在,冷却成几开尔文的微波背景辐射。

1964 年,彭齐亚斯与威尔逊在新泽西调试一台天线时怎么也去不掉一片噪声。那就是宇宙微波背景。稳恒态理论就此出局。勒梅特在去世前不久得知了这个消息。

2018 年,国际天文学联合会投票把「哈勃定律」正式更名为「哈勃-勒梅特定律」。

如果没有它

宇宙有年龄,这件事今天听起来天经地义,但它是二十世纪才确立的。一百三十八亿年这个数字,以及围绕它的整套宇宙学——暴胀、暗物质、暗能量、微波背景上的温度涨落——全部建立在勒梅特那个起点上。

还有一件事值得单说。1951 年教宗庇护十二世公开宣称大爆炸理论证实了《创世记》。勒梅特立刻通过渠道劝阻,并说服教宗不再提这个说法。他的理由是:物理学理论既不能证明也不能否证神学命题,把两者混在一起对科学和信仰都是伤害。

一个神父提出了宇宙有开端,然后花力气阻止别人把它当作神迹的证据。这件事本身,比那个理论更能说明科学的规矩是什么。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.勒梅特《一个质量恒定、半径增长的均匀宇宙……》,《布鲁塞尔科学学会年鉴》A 辑第 47 卷第 49 页(1927)
  2. 2.上文英译,《皇家天文学会月报》第 91 卷第 483 页(1931)
  3. 3.勒梅特《从量子理论看世界的开端》,《自然》第 127 卷第 706 页(1931)