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第二部分 理解外部空間 第7章宇宙學

生活中有一些問題具有一個獨特而毫無爭議的答案。不幸的是,儘管你已看到許多,但我們的宇宙從整體上看到底是什麼樣子這一問題不屬於剛才那類問題。愛因斯坦的公式允許我們的宇宙具有許多種不同的整體形狀,如同你在本書第六部分中將要看到的,我們甚至並不真正瞭解我們宇宙是由什麼構成的。

說了這麼多,我們需要時刻提醒自己,物理學,無論至今為止已顯示出多大的威力,它從來沒有完全與現實相符過。它甚至知道這不是自己的目標,因為如果是,就意味著現實——不管是什麼樣子——它可以被完全瞭解。然而這是不可能的。觀察與實驗,不管多麼精確,還是永遠只能給你一個大致的回答:誤差永遠存在,不管有多小。

回過頭看,我們甚至知道,我們人類探索自然所倚賴的技術很少與物理學在當時所作的判斷保持一致,有時候還會被引入歧途。幾百年前,你的某個祖先曾經猜想存在著一種細菌,大小是頭髮絲直徑的千分之一,但他的同時代人沒有一個能夠證實他的猜想,他甚至可能因為無根據地散佈恐慌而被迫害。對於遙遠的星系,道理也是一樣。如果你那位祖先也預見了它們的存在,他可能不僅會被關起來,還有可能被活活燒死,像喬達諾·布魯諾一樣。能夠看到宇宙中足夠遠的地方並拍攝下遙遠星系的必要技術在不到一個世紀前才出現。同樣,那些僅僅是驗證你在本書最後旅行能看到什麼的技術也尚未出現。

話雖如此,但科學進步是一步步實現的,有時候,會跨出巨大的一步,帶來理解上的革命。健康的看法依然是,將科學整體看作是幫助我們思考的腳手架,通過一代代人的努力,盡可能地接近我們所生活其中的真相,通過實驗來揭示真實中隱藏著的神秘。另外值得指出的是,雖然不管未來會有怎樣的變化,但至今為止,在所有人類活動中只有科學才能帶領我們發現自然界中的未知。無論人類在大自然面前應該如何保持謙遜,科學,只有科學,能給我們以眼睛來看清我們的身體所無法感知的世界。

那麼愛因斯坦的洞見給了我們什麼以前所不知道的東西呢?如果他的公式無法解答這些問題,又有什麼用?如果我們連宇宙由什麼構成都不知道,又如何能夠使用這些公式?同大多數的想法相反,科學家們不喜歡複雜的事。他們更喜歡簡單。通常,這個遊戲的真諦是在一個看起來複雜的環境中找到一個簡單的模型。這就是我們需要智慧的地方。那麼,讓我們看看如何利用簡單化,在最大尺度上利用愛因斯坦的看法來解釋你所看到的一切。先忽略細節,只看大圖景。不管小行星、行星和恆星。與此處我們要討論的問題相比,它們太小了。我們現在只關心星系,甚至星系群。你就在那裡,能夠看到它們整體,就像一雙遠視的眼睛,位於宇宙的尺度,地球、太陽甚至幾千億顆恆星構成的銀河系只是一個標記你所在位置的小點。

其他星系在你身邊均勻分佈,雖然纖維狀的結構清晰可見。

很好。

這些很簡單。這是你最初的設定。你將這些輸入愛因斯坦的方程式中,看看會得到什麼。你焦慮地等著,不敢期待太多。然後……奇跡發生了!

正確!在你周圍,無論你往哪個方向看,星系以及星系群們互相運動,如同期待中的一樣。不僅如此,你周圍的宇宙,地球上的可見宇宙的大小正在膨脹。星系間的時空被拉緊,讓它們互相離開,不管它們互相之間還有什麼運動!不管它們在較小的區域尺度內如何運動,它們就像正在烘烤的蛋糕裡的罌粟籽,或者正被充氣的氣球表面的小點,離地球距離越遠,它們往後退得越快。這正是那些你給了他們價值十億美元的望遠鏡的朋友們所看到的事實。這就是我們宇宙的膨脹。

通過向愛因斯坦方程式提供一個可見宇宙的簡單模型,你就得到了人類歷史上從來沒有被想像過的結論。這個結論符合你在天空中看到的現象,符合科學家們每天面對的事實:宇宙自身能夠(根據愛因斯坦),也的確正在進行(根據觀察)演化。

伴隨著這種想法,宇宙學——研究我們宇宙的過去與將來的科學——誕生了。在愛因斯坦之前,我們有的只是宇宙創造說,我們面對真實世界的神秘起源時告訴自己的故事,多半是為了不讓自己被這個問題折磨得發瘋。

現在,我們有了科學,有了一種手段可以幫助我們解讀大自然而不是人類自己創作的故事。

看著那些圍繞著你的小點演化,你突然意識到利用愛因斯坦的方程式,你的確能夠按動你意識的「回放」鍵讓膨脹退回去。

你按下「回放」。

我們可見宇宙這只罌粟籽蛋糕不再膨脹,而是開始塌縮。你那觀察著整個宇宙的眼睛看著它變小,遙遠的過去正向現在移動,移向你,將未來的圖像吞噬。

那個限制著地球上可見宇宙大小的整個球體正在縮小。

縮小。

縮小,直到……

約一百年前,比利時物理學家、耶穌會修道士喬治·勒梅特(Georges Lemaitre)決定將宇宙三原則放入一個想像中的相似的決定論宇宙中看它隨著時間膨脹和塌縮,他的結論並不吸引人:我們的現實世界,從人類能夠思考就認為理所當然的現實,是有開端的。

愛因斯坦的公式很快就讓勒梅特和其後許多科學家面臨一個很疑惑的觀點:我們的宇宙,雖然它一直擁有著它至今依然擁有的能量,卻曾經完全沒有大小。

在空間上與時間上都沒有大小。

一個絕對聽起來可笑的想法——就是今天依然如此——但這就是愛因斯坦的公式所告訴我們的。

然而,就我們今天已擁有的知識來說,這是人類理解我們在夜空中觀察到的現象所產生的最好想法。

任何聲稱所有被我們的可見宇宙所包含在內的一切在過去的某個時段曾經大小為零(或非常接近於零)的理論都被稱作「(熱)大爆炸理論」。

「熱」是指只有一個非常熱的過去才有可能將我們整個可見宇宙的所有能量容納壓縮在一個非常小的體積之中。太陽中心溫度很高,是因為其中所含物質承受著因太陽自身的引力而帶來的整個恆星的壓力。將整個可見宇宙壓縮在太陽大小的球體中,你遇見的是另一層次的熱。

「大」是因為它含有整個可見宇宙。

「爆炸」是指在那個緊跟「熱」的階段之後的膨脹看起來就像是發生在過去的一次爆炸,發生在我們宇宙誕生之初,雖然你將會在後面看到,這根本不是什麼爆炸。

「非凡的巨大的令人難以置信的超越一切炙烤高溫的無處不在的宇宙爆燃」或許能夠更好地表達當時發生的事件,但「熱大爆炸」更有效,而且更謙遜。

的確應該謙遜,雖然在你通天的眼睛看來,這次大爆炸以地球為中心,但事實並非如此。

現在你應該明白,大爆炸並沒有發生於時空中的某個特殊點,而是在一切地方。