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壓軸大戲

講到這裡,本章已經接近尾聲,讓我們來梳理一下前面看過的那些風景。首先,愛因斯坦從對狹義相對性原理的不滿意出發,把狹義相對性原理推廣到了等效原理加廣義相對性原理;然後從這兩個原理出發,推導出了引力使得時空彎曲,繼而又推導出了黑洞;再從黑洞想到了蟲洞,於是時空旅行有了理論可能性。這麼一路走來,風景越來越奇特,但都十分具有說服力。如果我們不是這麼一路走過來,而是直接從光速不變跳轉到了蟲洞這個神奇的概念,你一定會嘲笑我是不是精神出了問題。科學的神奇就在於一步步往前走的時候,覺得每一步都是合理的,一段時間以後再回頭一看,發現連自己都快不相信腳下的這片神奇土地了。難怪愛因斯坦會講出下面這句名言:

「宇宙最不可理解之處在於它竟然是可解的。」

本章就到這裡……

等等,等等,你突然大聲叫起來:作者,你忘記了一件重要的事情。

什麼事?

壓軸大戲啊,壓軸大戲還沒上演呢,前面兩章都有壓軸大戲的,這章怎麼可以沒有?

哈哈,就等你們這句話呢,壓軸大戲自然是早就準備好了,而且這部壓軸大戲是絕對可以堪稱壓軸的,我們要讓整個宇宙成為我們的演員,我們要對宇宙本身的生死做出終極思考。好戲這就上演!

愛因斯坦在打通六脈神劍之後,很快就把目光投向了整個宇宙,他把整個宇宙當作一個整體來研究。在深入地研究廣義相對論的引力場方程後,他得出了一個讓自己無法相信的結論:宇宙不可能是穩定的。也就是說,如果手頭的方程式是正確的話,那麼我們生存的這個宇宙要麼是在不斷膨脹的,要麼就是在不斷收縮的,總之方程的所有解都不可能得到一個穩態的宇宙模型。愛因斯坦被自己親手得出的這個計算結果震驚了,晚上連覺都睡不著。在愛因斯坦那個年代,人類對天文學的認識還僅僅停留在銀河系內,當時的天文學家認為銀河系就是整個宇宙,宇宙的尺度大約是十萬光年的量級。愛因斯坦畢竟不是天文學家,他對宇宙的認識也局限於當時天文學的普遍認識。

愛因斯坦一邊看著手中的方程式,一邊抬頭仰望蒼穹。看著滿天繁星,他知道頭頂上的這些星星在那裡已經存在了億萬年,在有歷史記錄以來,星空都是同樣的景象,北斗七星的勺子在大熊座上指引了人類上百年的航海史,就像一個忠於職守的燈塔老人,從來沒有出過一次差錯。這個深邃而美麗的宇宙始終給人以一種沉著、穩定、永恆的精神力量。現在,在我手中的這個方程式裡,宇宙不再是那個忠於職守的燈塔老人了,宇宙居然是不穩定的,它要麼收縮要麼膨脹,這怎麼可能呢?

愛因斯坦怎麼也無法接受這種結論,宇宙的博大和深邃的寧靜深深地震撼著他的內心。於是,愛因斯坦拿起筆,在方程式中增加了一個「常數」。有了這個人為添加進去的常數,宇宙就是一個穩態的宇宙了,既不會膨脹也不會收縮。愛因斯坦長舒了一口氣,合上本子,終於可以美美地睡一覺,做一個好夢了。

可惜,愛因斯坦的美夢沒過幾年就被一個叫作哈勃(Hubble,1889-1953)的美國年輕天文學家打破了。哈勃首先發現,在仙女座附近的一片淡得像雲一樣的薄霧,根本不是之前普遍認為的銀河系中的塵埃雲,在最新的大型天文望遠鏡裡,這層淡淡的薄霧居然被發現是由數以億計的恆星組成的,這就是第一個被人類發現的銀河系外的星系——仙女座大星系,距離我們有幾十萬光年之遙(今測值為250萬光年)。很快,一個又一個星系被發現,而且一個比一個遙遠,我們的宇宙比我們之前認為的顯然要大得多。然而哈勃接下來的進一步發現才是重點,他接著發現,幾乎所有的星系都在遠離我們而去,宇宙中幾乎所有的星系和我們之間的距離都在不斷增大(仙女座大星系是個例外),而且距離越遠的星系跑得越快。這一切只能有一個解釋,那就是宇宙就像一個正在膨脹中的氣球,每個星系都是氣球表面的一個點,當氣球膨脹的時候,每個點之間的距離都會增大。哈勃用他確定無疑的觀測數據向愛因斯坦展示了這麼一個事實:宇宙正在膨脹。

「噹啷」一聲,當愛因斯坦讀到哈勃的論文時,手中的酒杯落地摔得粉碎。天哪,宇宙竟然真的不是穩態的,而我,居然天真地在我的方程式中畫蛇添足地加上了一個常數,這真是一個不可饒恕的錯誤。但恰恰是這個錯誤,反過來證明了廣義相對論的偉大,它對整個宇宙模型的預言居然如此之精準,而且這麼快就被天文觀測數據所證實。

既然宇宙是在膨脹中的,那麼就是說,明天的宇宙會比今天的大,換句話說,今天的宇宙比昨天的大,昨天的宇宙比前天的大。如此一路想下去,就跟沒有什麼東西能阻止宇宙的膨脹一樣,也沒有什麼東西能阻止前一天的宇宙小於後一天的宇宙。既然是這樣,那麼是不是宇宙有一個誕生的時刻,是從很小的一個點開始,然後突然就爆炸出來的呢?這個瘋狂的宇宙大爆炸想法首先被一個叫作勒梅特(Lemaitre,1894-1966)的比利時學者公佈出來,但名不見經傳的勒梅特的聲音並沒有引起世人太多的注意。直到幾十年後,有兩個美國人(彭齊亞斯和威爾遜)在新澤西州絲絲作響的天線上,無意中發現了宇宙微波背景輻射,宇宙大爆炸理論才從一個瘋狂的想法變成了一個有實驗數據支撐的硬理論。這裡面又有一個很長、很精彩、很有趣的故事,但這畢竟跟本書的主題關係不大,如果你有興趣,可以閱讀筆者另一本拙作《星空的琴弦——天文學史話》。

雖然按照伽莫夫的說法,愛因斯坦認為宇宙學常數是他一生中的最大錯誤,然而富有戲劇性的是,在愛因斯坦去世多年後的最近幾年,最新的理論卻又讓這個宇宙常數死而復生了。愛因斯坦原本人為加上的這個常數居然像是冥冥之中的讖言,在今日的宇宙學研究中起著舉足輕重的作用。但這個宇宙學常數的復活有著複雜的背景和故事,並不是說廣義相對論有什麼錯誤。

宇宙竟然有一個起點,這個起點用科學家的話說叫作「奇點」(Singularity Point奇異點)。宇宙誕生於一場瘋狂的大爆炸,這個大爆炸的強度之大超出了人類的任何想像,大爆炸完了之後就是無休止的膨脹。請注意,我這麼描述宇宙你們是否聽出來了?我有一個潛台詞,那就是早期的宇宙是有明確大小的。

一旦說到宇宙是有大小的,1000個人裡面999個人會問一句話:「那麼,你說宇宙的外面又是什麼,你說宇宙誕生於一個奇點,那麼奇點的外面又是什麼呢?」我知道各位親愛的讀者此時心中正在發出同樣的疑問。今天,我一定要幫你把這個問題弄清楚,以後再遇到女生們向你問這個問題,你就能跟她們解釋得清清楚楚了,要知道,能把這個問題解釋清楚可是一種高深的體現,有助於你提升在她們心目中的魅力指數。經常有人打這樣的比方,說我們就像一隻在籃球上爬啊爬的螞蟻,永遠爬不到盡頭,但是籃球卻是有限的,這麼回答會讓女生們稍稍感覺好一點點,但也就是那麼一點點而已,因為她們還是會追問:「那麼籃球外面又是什麼呢?」

現在,讓我們做一個瘋狂的假想:如果我們回到137億年前,那時候的宇宙只有一個牢房那麼大,20平方米左右,那麼,當你身處這個宇宙中,你會看到什麼?你會看到,如果朝前看,自己的背影就在幾米開外的前方;朝後看,另一個自己就在幾米開外的後方,與你做著同樣的動作,再朝上朝下看,都能看到一樣的自己。當你朝前面跑時,前方的自己也開始跑,只用了幾步你又跑到了自己出發的位置,不管你朝任何一個方向飛去,都會回到原點,這是一個無限循環的三維空間,你根本不可能「出去」,因為根本沒有「外面」,整個宇宙就在你眼中,這就是「有限無界」的宇宙觀。聽上去有點兒恐怖,這樣的牢房是真正無法越獄的完美牢房。現在,請把這樣一個有限無界的宇宙不斷地在你的腦海中縮小再縮小,一直縮小到只有一個原子大小,注意,沒有「外面」,也沒有黑暗。空間和時間都禁錮在這個「宇宙」中,然後,上帝說「要有光」,於是,這個宇宙開始急速膨脹,這就是「宇宙大爆炸」理論。

請注意,我剛才的那個牢房的比喻是針對宇宙剛剛誕生的時刻。那麼,我們今天的宇宙在經歷了137億年的膨脹後是不是依然是一個巨大的恐怖牢房呢?如果我們朝一個方向一直飛一直飛,最後會不會回到原地呢?雖然還沒有定論,但是越來越多的宇宙學家認為,我們今天的宇宙是一個無限大的宇宙,我們永遠也無法飛回到原地,而且得到了理論和觀測的有力支持。

從光速不變這個起點出發,一路走來,最後,我們竟然看到了恢宏的宇宙大爆炸,又看到了一個神奇的有限無界的空間。但請相信我,還有更神奇的事情等在後面。從第六章開始,我將帶你去領略難以想像的神奇。在本章的結尾,請允許我用愛因斯坦式的口吻,寫下這麼一句話作為本章的結束語:

宇宙最神奇之處就在於,它比我們所能想像的還要神奇!