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天文學家如何觀測宇宙的起源?

現代宇宙學家也為給出答案奮鬥了幾十年。對於科普作家來說,宇宙學的吸引力之壹就是它的前沿領域有太多的問題很容易表達出來。然而,對於量子電子學、DNA測序、神經生理學或純數學等前沿話題,將專家的提問翻譯成通俗的日常語言並不容易。

熱力學第二定律告訴我們,宇宙必須有壹個高度有序的起點。第壹定律告訴我們,宇宙不能自己開始。從這兩個基本原理,我們已經能夠推斷,宇宙是由壹個來自宇宙之外,淩駕於自然法則之上,也就是超越自然,想要創造壹個深不可測的秩序的實體所創造的。

愛因斯坦的廣義相對論為我們指出了這個創造性的事件。只有少數人具備理解愛因斯坦廣義相對論公式所需的數學知識。有壹個故事從20世紀20年代就開始流傳了。有記者問相對論專家亞瑟。愛丁頓,世界上真的只有三個人能理解愛因斯坦的理論嗎?經過長時間的沈思,愛丁頓終於回答道:“我正在試圖找出第三個人是誰。”

就目前的目的而言,關於廣義相對論我們主要有兩點要說:第壹,它提出的所有可驗證的預言都被證明是正確的;第二,廣義相對論的公式意味著宇宙不可能是靜止的,而必須是不斷膨脹或收縮的。甚至艾薩克?牛頓也知道他的萬有引力定律意味著宇宙中的每壹顆恒星都應該相互吸引,直到整個宇宙結合在壹起。此外,牛頓還研究了四維坐標:三個空間坐標和壹個時間坐標。愛因斯坦意識到時間坐標和其他三個坐標之間的相互依賴。

1692,劍橋學者R?r?本特利寫信給牛頓,指出根據牛頓的萬有引力定律,宇宙中所有的恒星最終都必須相互吸引形成壹個大火球。對此,牛頓回信說:

.....如果太陽及其行星和宇宙中的物質均勻分布在整個空間中,每個粒子對所有其他粒子都有壹種固有的引力,而這些物質分布的空間是無限的,那麽空間外的物質就會借助其引力向空間內的所有物質靠近,最終落在整個空間的中心,形成壹個大球。

牛頓提出宇宙必須是無限的,所有的恒星必須彼此等距。但是,他很快意識到,這個解是極不穩定的,因為任何恒星之間的平衡距離稍有偏差,就會引發連鎖反應,造成整個宇宙的坍縮。當然,牛頓從來沒有意識到宇宙仍然有膨脹的可能性來對抗將宇宙拉在壹起的引力。

牛頓曾經指出,當壹個物體在運動時,它的運動是相對於任何觀察者的運動而言的。例如,當坐在車廂中的乘客在車內扔球時,球可能只會跑到乘客2英尺以外。但是對於那些袖手旁觀在路邊看著馬車經過的人來說,球可能跑了20英尺,因為馬車的距離也必須加到球的距離上。

愛因斯坦還指出,物體在運動時,其運動時間是相對於任何觀察者的運動而言的。因為對於任何觀察者來說,光總是以相同的速度運動,與觀察者的速度和方向無關。換句話說,如果妳想計算馬車前面的手電筒的速度,妳可能想把馬車的速度加到正常的光速上。然而,與球的運動不同,對於乘客和觀看馬車運行的人來說,光具有以相同速度運動的奇怪特性。

當物體的速度接近光速時,時間的相對性就變得特別值得註意:宇航員以接近光速的速度旅行的每壹天,對地球上的人來說就是壹年(盡管很難達到這個速度,這使得這個解釋只是理論上的)。而且,由於質量和能量的關系,對於地球上的觀測者來說,當宇航員的行進速度更接近光速時,他的重量似乎會增加,而他的高度在運動方向上會降低。

這種在高速運動條件下的不尋常現象的描述被稱為狹義相對論,是愛因斯坦在1905年發表的。這個理論提出了時空的概念,描述了空間和時間是如何相互聯系的。廣義相對論(發表於1915)所表達的時空特征,清楚地解釋了引力的作用。愛因斯坦推測引力不可能是立即作用於遠處物體的實際引力,因為狹義相對論指出沒有任何物體的運動速度超過光速。相反,引力是質量對空間和時間影響的結果。壹個巨大的物體顯然應該“彎曲”靠近它的空間,並“減慢”任何靠近它的觀察者的時間。

這樣,我們已經明確了,太陽的引力並不是拖動行星的引力,而是因為太陽的質量使其周圍的空間發生彎曲,從而迫使每個行星在彎曲的空間中選擇最直的軌跡。

至於大質量物體應該能夠讓其附近觀測者的時間變慢的預言,早在1962年就已經被完全證實了。當時,人們發現了放置在水塔頂部和底部的非常精確的鐘表之間的時差。時鐘離地球越近,時間走得越慢,因為這裏的地球引力更強。這個結果與廣義相對論的預測嚴格壹致。斯蒂芬?霍金描述了衛星如何依靠這種不斷的預測來校正其精確的導航系統:“如果任何人忽略了廣義相對論的預測,他計算的衛星位置將會誤差幾英裏!”

當廣義相對論準確解釋了壹個牛頓定律無法解釋的水星軌道異常情況時,它的正確性立刻得到了驗證。當另外兩個預言被證實後,越來越多的證據證明了理論的正確性:恒星的光在穿過大質量太陽時會發生彎曲,其光頻在引力場中會發生變化。1919,在西非普林西比島觀測日全食時,亞瑟?愛丁頓爵士第壹個觀察到恒星光線穿過太陽時的彎曲現象,雖然結果不是很準確。天文學家沃爾特?亞當斯後來在白矮星天狼星B中觀察到了預測的光波偏差。今天的測量已經表明,廣義相對論預測的精度可以達到小數點後五位數,和測量技術的精度壹樣。

愛因斯坦公式表明,如果宇宙中有足夠多的非色散質量,那麽宇宙的質量實際上會導致所有的空間都向它彎曲,直到整個宇宙“閉合”。這和牛頓認為宇宙中的所有物體都會聚集在壹起,成為壹個中心質量的觀點非常相似。另壹方面,如果宇宙的密度低到某個臨界值,那麽愛因斯坦的公式就意味著宇宙中所有的物體之間的距離會越來越遠。這樣,宇宙就會不斷膨脹,在時間上變慢。

愛因斯坦認為,無論如何都應該避免對爆炸的這種描述,因為膨脹或收縮的宇宙都不符合宇宙是靜態和永恒的常識性科學觀點。因此,在1917的壹篇題為《關於廣義相對論的宇宙學思考》的文章中,他選擇了不相信促使他推導公式並提出他著名的“宇宙常數”的邏輯。這種奇怪的力是為了彌補重力的不足,增加遠處物體之間的引力而提出的,因此它不同於物理學中其他已知的力。而且,它必須達到壹個非常精確的水平來維持宇宙的穩定:在開始膨脹和開始收縮成“大擠壓”之間達到完美的平衡。

1922,前蘇聯數學家亞歷山大?弗裏德曼在愛因斯坦對靜態宇宙的證明中發現了壹個代數錯誤。在糾正了這個錯誤並丟棄了愛因斯坦的宇宙常數後,弗裏德曼發現愛因斯坦的“靜態宇宙”原來是不可能的。宇宙必須要麽開放,要麽封閉,即要麽膨脹,要麽收縮。

經過幾年的獨立努力,荷蘭天文學家威廉?德西特還發現了壹個解決方案,即使是用宇宙常數來解釋愛因斯坦的宇宙不斷膨脹的公式。英國天文學家亞瑟?愛丁頓獨立發現,即使有宇宙常數,愛因斯坦的平衡也是壹個“不穩定”的平衡——它稍微偏離了將宇宙送入膨脹或坍縮狀態的平衡點。

愛因斯坦後來責備自己把他著名的附加因素引入了他的理論。他稱增加宇宙常數是“我壹生中最大的錯誤”從那時起,愛因斯坦不僅寫了需要壹個起點,而且表明他的願望是“知道上帝是如何創造世界的”。

這樣,特別是從20世紀60年代初開始,隨著反復的測試,精確地測量廣義相對論的預測能力成為可能,科學從堅持宇宙的永恒觀點,轉變為堅持宇宙有壹個起點,這個起點被廣義相對論明確地預言了。