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纵横宇宙 (二)

宇宙学历史交流会

2019/06/03   维加斯新闻报
胡昌伟

    果然,不远处已经聚集了好几个人。他俩靠了过去,发现有位白发的东方长者刚好开始讲故事:
    “很久很久以前,宇宙里天、地不分,到处是雾霾浊流。就在这混混沌沌之中,有一团精气在涡动腾挪,虹吸周围精华。它经过了一万八千年的凝聚修炼,造就了一个力大无穷的巨神,他的大名叫盘古。
“盘古如梦方醒,睁眼四顾,朦朦胧胧,什么也看不清。于是他站起来,瞪着眼睛,发出一阵吼叫。接着,他一边旋转着身子,一边抡动神斧狂砍。所到之处,电闪雷鸣,混沌分离,那轻而清的东西向上飘升,逐渐形成了蓝天,重而浊的东西向下沉去,逐步形成了大地。盘古手托蓝天,脚蹬大地,挺立在天地之间,努力将天、地撑开。从而天每日增高一丈,地每日增厚一丈,盘古也每日长高一丈。这样又经过一万八千年,天地远离,各成系统。盘古自己也变成了九万里高的巨人,他终于难以支撑,轰然倒下。他的头化做了高山,四肢化成了擎天之柱,眼睛变成太阳和月亮,血液变成了江河,毛发肌肤变成了花草,呼吸变成了风,喊声变成了雷,泪水变成了甘霖雨露,滋润着大地。”
    “呵呵,大爆炸宇宙学与这则神话故事倒有点儿一脉相承。”爱因斯坦心里发笑。
    “天、地远离,万物繁衍,神州大地,三皇五帝到如今。传说帝尧发明围棋后,有弈者将天、地景观归纳成一句话:天圆如张盖,地方如棋局。这是700年前最初的盖天说。后来,人们意识到天圆地方有纰漏,于是提出:天似盖笠,地法覆盘。他们还进一步根据一些假设和圭表测影的资料,并利用勾股弦定理进行了推算,设计出了七衡六间图。具体些说,太阳在天盖上的周日(视)运动,在不同的节气是沿不同的轨道进行的。以北极为中心,在天盖上间隔相等地画出大小不同的同心圆,这就是太阳运行的七条轨道,称为‘七衡’,七衡之间的6个间隔称为‘六间’。最内的第一衡为‘内衡’,为夏至日太阳的运行轨道,即‘夏至日道’;最外的第七衡为‘外衡’,是冬至日太阳运行的轨道,即‘冬至日道’。内衡和外衡之间涂以黄色,称为‘黄图画’,即所谓‘黄道’,太阳只在黄道内运行。这可以说明日月星辰的周日运动,昼夜的长短变化和四季二十四节气的回圈交替。”
    “他是谁?说的是最古老的宇宙说?”爱因斯坦问。
    “这位演说者是西元前4世纪的《周髀算经》作者之一,陈子。他说的盖天说起源于西元前11世纪,可以说是最早的宇宙说吧。”
    “嗨,有趣,有趣。西元前11世纪就有了宇宙说。算来,陈子比古希腊的亚里斯多德还早了1个多世纪,能有这般见识,真是智者啦。”爱因斯坦客观地评论著。
    “哎,说曹操,曹操就到,那位不就是亚里斯多德吗?”
    爱因斯坦顺着小张的手指望去,看到离人群不远处有一位穿古希腊长袍,方脸盘,满脸络腮胡子的长者。他正端详著一头动物,很激动地自言自语:
    “是它,是它,正如赛蒂萨斯所说,人头、狮身、龙尾;上、下颚都有3排牙齿;像狮子那么大,毛茸茸的,有着像人一样的脸和耳朵……”
亚里斯多德是古希腊的哲学大家,是哲学、逻辑学、生物学等等方面的集大成者。他是在西元前328年的一次午睡时被“请”过来的。那天一早,他的学生亚历山大大帝又给他送来了一批战利品,其中有一些他从未见过的动物。因此,他在动物园里兴致勃勃地观察了二个小时,午饭后就睡了一觉。现在,他还以为这头狮身龙尾兽是新送来的礼品之一呢。在没见到这兽之前,他对赛蒂萨斯的话总有点将信将疑。
    “亚里斯多德先生,您好!”
    爱因斯坦的问好声把亚里斯多德从梦境里唤出来了。亚里斯多德面对一群衣着打扮异常的人,感到有点茫然;又注意到四周景象焕然一新,遍地都是陌生的花草树木,虫豸禽兽,作为逻辑学始祖的他,顿觉诡异。
    “你们是谁呀?这里是什么地方?”
    “亚里斯多德老师,不胜冒昧,我们把您请到西元70世纪来了。他是20世纪的爱因斯坦;我是70世纪的张络。”
    “啊,啊?”亚里斯多德没有西元、世纪之类的观念。
    “您是我们几千年前的圣贤。我们想听听您对宇宙的看法。”小张盯着亚里斯多德的眼睛说,并将他引入了人群里。
    “宇宙?嗯,这个嘛,我可以说上几句。”亚里斯多德缓过神,来了兴致,“宇宙包括了天地万物。白天,我们可以看到太阳在绕着地球转;晚上还能发现月亮和星星也都在围着地球转。通过仔细地长期观察,可以进一步发现水星、金星、火星、木星、土星等各自在快慢不同地绕着地球转,但大多数星星是在同步地绕着地球转。因此,我们人类生活的地球是宇宙的中心,它是静止不动的。地球之外有9个透明的等距天层,由里到外依次排列著月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力天;每个天层都在绕地球转,但快慢不同。”亚里斯多德很有条理地说。

   
 
    图3 亚里斯多德(西元前384~前322)

     “哦,大地是球形的?星星不是绕着北极转,而是绕着地球转?”陈子不解地问。
     “是呀,原来有人认为:地球可能像圆盘状。但是我发现,月食时,地球投射到月亮上的影子总是圆的,这表明了地球必定是球状的,因为,如果地球是圆盘状的,它在月亮上的影子将是椭圆形的。”

   
 
     图4 克罗狄斯‧托勒密(约90年—168年)

     “亚里斯多德老师说得好!”托勒密从爱因斯坦身后站上前来说,“做梦都没想到能够见到您老人家,真是太幸运啦。关于地球是宇宙中心的学说嘛,它的初步理念是在米利都学派中形成的,后由欧多克斯明确提出,是您,亚里斯多德老师将它加以完善。我继承了您的学说,写成了8卷本的《伟大论》。不是吗,以地球为中心的宇宙是多么的伟大、壮丽啊!各个行星都在一个被称为‘本轮’的较小的圆周上运动,而每个本轮的圆心则围绕地球作称为均轮的圆周运动……”

   
 
     图5 地心说的本轮与均轮

     古希腊的前贤们都相信毕达哥拉斯关于天体运动是圆周的和均匀的论断,但如果天体只沿着均轮绕地球转,显然与观察到的天象不一致,于是就在均轮上加了本轮;如果仍有误差,再加更小一级的本轮;如此等等。结果,随着天文观察越来越细致,精确,本轮-均轮体系越来越复杂了。

   
 
     图6 张衡(78年—139年)

     ”是的,地球是宇宙的中心。如果把宇宙比作一个鸡蛋,那么,天好比蛋壳,地球为蛋黄,天地之间充满了气和水,日月星辰在气的作用下有规律地运动,大地浮在水上……”
     “他的‘日月星辰在气的作用下有规律地运动’的说法,倒有点‘场’的影子。”爱因斯坦心里想,就问小张,“这位说话的是谁呀?”
     “他是中国古代著名天文学家张衡。”小张说,“他生于西元78年,比托勒密大12岁。”
     只见张衡指著身后说:
     “瞧,那边是我制作的一架水动浑天仪。”
     大家围了过去。这浑天仪的主体是几层均可运转的圆圈,最外层周长一丈四尺六寸。各层分别刻着内、外规,南、北极、黄、赤道,二十四节气,二十八列宿,还有“中”、“外”星辰和日、月、五纬等等天象。
     “大家看,浑天仪上附着两个漏壶,壶底有孔,滴水推动圆圈,圆圈按著刻度慢慢转动。于是乎各种天文现象能按时出现在实际位置上。”

   
 
     图7 浑天仪

     这浑天仪独具匠心的设计和精巧的制作,赢得了一片赞叹声。它油漆未干,是张衡“刚”完成的得意之作。他是在入神地自我欣赏时,听到有人对他说:
     “有群古人和西域人要参观您的新作。”
     于是他就来到了一群高谈阔论的人群中间。
     “先生,冒昧问一下,您的每一个圆圈,代表的是一个透明的天壳吧?在您的最外层的恒星天以外,还会有什么吗?”托勒密问。因为,在他的宇宙结构里,恒星天外面还有晶莹天、最高天和净火天。
     “应该有吧,宇之表无极,宙之端无穷嘛。”张衡说,“天壳可能是不存在的。在我们东方,除了最早的盖天说和我们的浑天说外,还有一种宣夜说,它认为:人们看到的天壳并不是真的,天色苍茫,是由于我们看得非常遥远的缘故,犹如远山色青,深谷色黑,青与黑都不是它们的本色;日月众星自然地存在于虚空之中,它们的运行靠的是气的作用。宣夜说的说法很有道理,不过,它只是一些笼统的看法,没有具体地描述日月星辰的运动规律,因此缺乏实用性。”
     “唔,了不起,1900年前就能够认识到不存在‘天壳’。”爱因斯坦在心里赞叹著。
     “各位前贤,幸会,幸会!”
     爱因斯坦顺声音望去,喔,原来是身体瘦弱的哥白尼冒了出来,在向大家作揖说:
     “晚辈是16世纪的哥白尼。刚才,各位有理论模型,也有实物模型,精彩纷呈。大家都认为:地球是宇宙的中心。这种地球中心说是对眼见为实的直接描述,很有影响力。从亚里斯多德时代算起,流行了1800年之久。不过,随着天文观察资料越来越丰富、精确,本轮-均轮系统的圆圈也越来越多,到我们时代,这圆圈数已达80个左右了。”
     “嚄——”亚里斯多德、托勒密等人一脸无奈的样子。
     “我想,大自然应该是简单而和谐的,宇宙一定会有我们还不知道的奥秘。于是,我对天文现象进行了观察、搜集和分析,发现每个行星都有三种共同的周期运动,即一天,一年和相当于岁差的周期运动。如果将宇宙中心让位给太阳,那么,这三种周期运动就可以分别对应于地球的自转、地球绕太阳的公转、黄道面与赤道面不重合而引起的地轴回旋,这样可以使行星的运动一下子简化很多,因此,更为合理。”哥白尼说,“因此,我认为,太阳是宇宙的中心,水星、金星、地球、火星、木星、土星和恒星都在绕着太阳转,而月亮是绕地球转的卫星。”

   
 
     图8 哥白尼(1473年—1543年)

     1514年,哥白尼就写成了《天体运行论》一书,但是否将它出版,他久久犹豫不决。因为地心说已在人们心中深深扎根,而且得到了教廷的完全支援,所以他担心这部书出版后会遭受到地心说信徒们的攻击,及受到教廷的压制。20多年后,在朋友和学生的支持、鼓励下,哥白尼终于决定出版这部著作。1543年5月24日,弥留之际的哥白尼终于摸到了刚刚出版的《天体运行论》,可惜当时的他,已经因为脑溢血而双目失明,他兴奋地抚摸著新书的封面,与世长辞了,并被直接“送”进了70世纪的露天会场。
     “哥白尼老弟,你刚才说的有逻辑性。”亚里斯多德说,“不过,如果地球在绕太阳转,而且还在自转,那么地面上势必会形成一股经久不息的东风,但实际上没有呀。”
     “是的,那是因为空气和大地一脉相承,互为一体。地球转动时,大气也随着一起转动,自然不会出现大风。”哥白尼答道。
      “哦,我没听错吧,刚才是哥白尼老师在讲话?”一位垂头丧气的老人说,“是的,地球在动,地球在动呀!”他边说边抬起了头——噢,原来是伽利略!

   
 
     图9 伽利略(GalileoGalilei,1564-02-15—1642-01-08)。

     1633年6月22日,在罗马宗教裁判所里,伽利略在淫威下,被迫把双手按在《圣福音书》上宣誓:“……我现在宣布并发誓:地球并不环绕太阳而运行……”。看来,他是在宣誓后被请到这里来的。
     “哇——原来亚里斯多德、托勒密等等诸位先辈也都在哪!”伽利略的精神顿时振作起来,“我记得阿基米德曾经指出,古希腊的阿里斯塔克斯也曾经提出过日心宇宙模型,其要点是:太阳与固定的恒星不会运动;地球沿着圆形轨道绕太阳运行;太阳位于该圆的中心;固定的恒星离开地球和太阳都很遥远。现在看来,阿里斯塔克斯的宇宙观相当正确,但他远远走在了时代的前面,因而得不到公众的承认,甚至有人想控告阿里斯塔克斯的渎神之罪。唉,我就是因为支持哥白尼老师的日心说,被罗马宗教裁判所,以‘反对教皇、宣扬邪学’的罪名,判处了终生监禁。”
     “伽利略先生,340多年后的1979年11月10日,罗马教皇在一次公开集会上宣布:1633年对伽利略的宣判是不公正的。这是得到平反时间最长的冤假错案啦,您老可以释怀了。”小张说
     “哦,真的?历史是公正的呀。”伽利略高兴地说,“眼见为实是吧,各位先贤,我做了一架望远镜,当夜幕降临,透过它,我们将发现遥远的星宿如在眼前。”
     在大家的惊讶和期望声中,夜幕降临了,一架伽利略自己制作的天文望远镜出现在人群中间。它升起来,物镜指向天空,目镜朝向人们,每个人都觉得自己刚好在贴著目镜观察。
     “哇——真的没有天壳?!”
     “哟,天河是无数星星构成的呀。”
     “呀,月亮的表面原来跟我们的大地差不多,坑坑洼洼,高低不平。”
……
     先贤们本来都居于各自的认知高地上,面对看到的景象,瞬间跌了下来,惊异万分。
     “伽利略老兄,实在对不起呀。您曾邀请我用望远镜看一看月球和行星,因我有事,让我的学生马丁‧霍尔过来。那小子回来说:您的望远镜用来观察地面上的物体确实很棒;但是指向天空时会产生‘幻影’。我竟信了他的鬼话!抱歉啊,抱歉!”说话的是比伽利略小7岁的开普勒。
     “啊!我亲爱的开普勒,我多么希望你我能够在一起开怀大笑地欣赏这些奇怪的事情!”伽利略真诚地说。
     “通过望远镜看到的天体确实与我们的想像大不一样,但并不能确定地球在动哪。”托勒密有点不服气地说,
      “我的老师第谷‧布拉赫留下了非常详细的天文观察记录,在这基础上,经过反反复复的分析、计算和进一步的观察,我发现了行星绕日运动的三大定律。这能够进一步说明日心说的客观性” 开普勒说。

   
 
     图10 约翰尼斯‧开普勒1571年12月27日—1630年11月15日

     “哦,说来听听。”哥白尼饶有兴趣地说。
     “第一条定律是关于行星运行的方式。前贤们都遵循毕达哥拉斯关于天体运动是圆周的和均匀的论断,从而产生了行星运动的本轮-均轮复杂系统。即使是哥白尼先生的日心说,本轮、均轮的总数也有几十个。而且,我发现,无论怎样努力,都无法用圆形轨道来描述火星的运行。于是,我尝试用椭圆轨道来描述,结果非常理想,只需要一个椭圆,而且适用于任何行星!第一条定律就是:行星在椭圆形的轨道上绕太阳运动,太阳处于椭圆的一个焦点上。”
在场的前贤们听得目瞪口呆了。爱因斯坦知道,将流行了2000年的圆形轨道改成椭圆形轨道,看来变化不大,其实是古代天文学和现代天文学的一条分界线。
     “另外两条定律呢?”有人问。
     “第二条定律是:行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过相等的面积。第三条为:所有行星绕太阳一周的恒星时间的平方与它们轨道长半轴的立方成比例。”
     爱因斯坦心里清楚,如果把彗星的?物线轨道也包括进来,开普勒第一定律可进一步表述成:所有行星和彗星的轨道都属于圆锥曲线,而太阳则在它们的一个焦点上;而第二、第三定律是近似的,只在行星品质比太阳品质小得多的情况下才比较精确。
     “开普勒先生,你是通过大量的计算得出三大定律的,我们应该相信你。不过,这些关系只是一些表像,请问它们为什么能够成立呢?”亚里斯多德问。
     “亚里斯多德老师问得好。我的三大定律确实是些形式上或定量上的关系,这显示了太阳的中心地位,至于它们的具体机制,我也百思不得其解。”开普勒老实回答。
     “这个问题应该去问那个人。”小张指著不远处的一个人说。
     大家顺着小张手指的方向望去,看见50米外站着一个人,他有着一头漂亮的长卷发,脸型方正而丰满,目光炯炯,鼻子挺直。
     “这位不就是牛顿先生吗?!”爱因斯坦心里有点激动。
     只见牛顿的右手拿着一根雪茄烟,在左手拿着的一个什么东西上顿了一顿,就凑到嘴里吸了起来——呀,他不是在吸雪茄烟,竟是在吹肥皂泡!瞧,一个个肥皂泡从他那雪茄烟似的管子里产生出来,飘荡开去,很快就在他面前形成了一个闪烁著五光十色的泡泡世界。
     “他怎么吹起泡泡来了?”爱因斯坦大惑不解。
     牛顿是位空前绝后的科学巨匠,在他之前,力学的成果零零落落不成体系;是他将力学提炼、夯实成完整的科学体系。他还将自由落体与天体的运行统一起来,悟出了宇宙的定律。他说:“宇宙的定律就是品质与品质之间的相互吸引。”
     这样的一位物理学大师,怎么会喜欢上小孩子的玩意儿呢?

   

     图11 牛顿(1643年1月4日—1727年3月31日)

      “牛顿先生的思绪还没有从1687年的春天里解脱出来呢。”小张开心地说。
     原来,牛顿写完了划时代的科学巨著《自然哲学的数学原理》的最后一卷“关于宇宙的构造”后,他就到离剑桥大学不远的一个地方去休养。一天,在旅馆的院子里,他,一个快50岁的绅士,竟像小孩子一般,整天吹起肥皂泡来了。
     “看来,牛顿对来到70世纪还毫无意识。也许,他的思想还在继续著关于宇宙构造的推究,那一个个肥皂泡好比一个个星球,他正在苦苦地思索著:造就星球永恒运动的‘第一推动力’究竟是大自然本身还是‘神’。伟大的牛顿啊,看来您在‘第一推动力’的问题上,只能遭受那肥皂泡的命运了。”爱因斯坦一边想着,一边向牛顿走去。
     “您好!牛顿先生。”爱因斯坦恭敬地打招呼。
     牛顿看到一群衣着打扮各异的人向他走来,有点惊诧。接着,他发现其中有哥白尼、伽利略、开普勒等等似曾相识的人,更感到愕然了。
     “牛顿先生好!欢迎您来到70世纪,参加《宇宙学历史交流会》。”
     “啊?噢,噢……”牛顿先是诧异,继而,在小张的炯炯目光感应下,就不置可否地点了几下脑袋。
     “牛顿先生,我是开普勒,根据大量的观察资料,总结出了行星运行的三大定律,但不知道它们是如何造就的。听说您知道其中的奥妙,特来向您请教。”
     “呵,您就是开普勒先生!那么,这位是伽利略先生;那位是哥白尼先生;还有亚里斯多德先生、托勒密先生,诸位先贤汇聚一堂,在下实在荣幸!至于我嘛,就是站在你们诸位巨人的肩膀上,才有所新的发现。”牛顿开心而谦虚地说,“有一天,我坐在树旁的椅子上,     思考开普勒先生的三大定律问题。突然,一个苹果从树上掉下来,砸在我的身上,顿时开启了我的灵感:苹果掉下,可以认为是地球在吸引苹果,也可以说地球和苹果会相互吸引,对,万物都会相互吸引!两个大小一样的物体,相互吸引时,靠近的速度一样大;两个一大一小的物体相互吸引,大的速度慢,小的速度快,看起来是小的被大的吸引过去了。这样一来,苹果落地和行星绕太阳转都有可能在遵循着同一个自然规律。想到这里,我非常兴奋,马上回到书房,写下了万有引力公式。后来,我结合力学三大定律进行演绎,果然能够推导出开普勒先生的三大定律!”
     先贤们如梦方醒,纷纷竖起了大拇指!
     “万物都在相互吸引,一语定乾坤!不过,如此看来,宇宙万物最终不是全将聚集到中心了吗?”张衡称赞之余,有点疑惑地问。
     “如果宇宙有中心,情况确实如此。”牛顿说,“但是,宇宙是没有中心的,我们看到的天上的繁星,其实是非常非常遥远的大大小小的太阳。在总体上,星球在无边无际、无始无终的时空中,均匀分布,引力相互抵消;它们遵循力学的自然法则,永恒地运动着,变化著。”
     “一般看来,宇宙应该是无限的。但仔细想一想,其中存在矛盾。比如说,无限宇宙,星光灿烂,我们无论往那儿看,总会看到星光,夜空理应显得相当明亮。而实际上,我们看到的夜空是黑暗的,这似乎也表明宇宙是有限的吧。” 开普勒说。
     “开普勒先生指出的问题,后来称之为‘奥伯斯佯谬’。另外,1894年,塞里格尔首先指出,如果假设万有引力定律在宇宙的各个地方都起作用,并且物质的平均密度处处都不等于零,那么,对于整个物质世界来说,计算出的引力势在空间每一点上都会是无限大,这被称之为引力佯谬。” 瑞典天文学家沙利叶说,“十八世纪中期,德国物理学家朗伯特曾提出过天体逐级成团分布的概念。他把太阳系叫作第一级,第二级是比太阳系大得多的星团,第三级是银河系。在这种天体逐级成团分布的思想基础上,我于1908年提出了等级式宇宙模型,认为在银河系以上还会有第四级、第五级等等的天体团集现象存在。这样的话,当第n+1级与n级的半径比大于n+1级所包含的n级天体的个数的平方根时,天体到达地面的总光通量就是有限的,或者说远处天体对光通量的贡献可以是任意小的数值,因而不会发生‘黑夜和白天一样亮’的所谓奥伯斯佯谬现象了。”
     “牛顿先生以为天体是均匀分布的;这位先生——喔,沙利叶先生认为天体是逐级成团分布的。这里的关键是要能够测量遥远星星的距离。”伽利略说,“我曾经想:地球在绕太阳转,那么,相隔半年,它将分别在绕日直径的两端。在这两端,观察同一颗恒星,就应该会产生视差。这样就可以根据视差来计算恒星天有多高了。我设法进行观察,但没有发现恒星的视差,这有可能是恒星离我们实在太远了的缘故吧。”
     “伽利略先生,恒星的视差确实存在,由于它非常小,直到你以后的200年,即1837年,才被人们测出来。恒星是遥远的大大小小的太阳,它们离我们的距离一般用光年表示。1光年就是光走一年的距离,它大约是日地距离的6万3千倍。离我们最近的是比邻星,它离我们4.2光年远;最亮的恒星,天狼星是8.6光年。我们平时看到的恒星绝大多数都在几百光年以内。肉眼可见的最远的天体是仙女座大星云,离地球254万光年。” 法国20世纪天文学家沃库勒说,他是等级式宇宙学的推动者。
     “离地球245万光年也能用视差法测出来?”开普勒发问。
     ”呵,当然不能。仙女座大星云在银河系以外,是一个比银河系更大的星系。它在我们看来很小,其实包含了将近一万亿颗恒星,是我们银河系恒星数的2倍以上。这是利用造父变星来测距的。造父变星是一类高光度周期性脉动变星,即它的光度会周期性地变化,而且其光变周期,即亮度变化一周的时间,与它的光度成正比。当我们在仙女座星系里找到造父变星,就可以根据它的光变周期,获知它的实际亮度,再根据实际亮度以及距离与其观察亮度之间的关系,就能够知道它的距离了。”
     “看起来一成不变的恒星天,原来是远近各异,千姿万态呀。真是想不到,想不到哪。”亚里斯多德感慨万千。
     “用造父变星量天,这个方法高,实在高明!它能探测到的天体,最远是多少?”托勒密问。
     “造父变星亮度有限,上千万光年远的就难以观察到了。不过,可以获知实际亮度的天体被称为‘标准烛光’,造父变星只是其中之一。还有一种标准烛光,IA型超新星,它的亮度比造父变星高得多,是太阳亮度的10亿倍,因此可用来测量上亿光年外的天体距离。到20世纪末,人类已经探测到了百亿光年外的天体了。从中,人们发现,太阳系、星团等会团集成银河系那样的星系;星系之间也会团集成星系团。不能设想一旦大于这一计数的总尺度,成团性就会消失而表现为均匀分布。因此,宇宙应该是无限的,而且其物质结构是成等级式的。认为宇宙在大尺度上是均匀的和各向同性的宇宙学原理是由于美学上的偏见和数学上的简化而提出来的。”沃库勒说。
     “等级式宇宙模型有一定的道理。但它没有考虑到物质之间的相互作用,不能描述宇宙的演化。牛顿先生的万有引力定律描述了万物之间最基本的引力相互作用。但是,在描述宇宙时,根据万有引力定律,恒星世界确实只能是无限的空间海洋里的一个有限的岛屿。”爱因斯坦接过了话题。
     “哦,为什么呢?”牛顿不解地问。
     “如果星球在无边无际、无始无终的时空中,均匀分布,那么,我们在这样的空间里画个大球,其中的星球的品质之和正比于球半径的立方,而根据你的万有引力公式,球面上引力场强度反比于半径的平方,因此,总的说来,球面上引力场强度正比于半径。当画的大球的半径趋向于无穷大时,其球面上的引力场强度也趋向于无穷大,而这是不可能的,而且与均匀性的前提相矛盾。所以,根据你的引力定律,宇宙只能是有限大。”
     “噢,这方面我倒没有考虑过。”牛顿思索了一下说,“人类的知识总是后人超前人的。刚才沙利叶先生和沃库勒先生,他们以天体的团集性维护了宇宙的无限性。爱因斯坦先生对此有何高见呢?”
     “我的宇宙观与你一样,也是从引力场方程出发来进行描述的。结果是宇宙有限而无界。”爱因斯坦说。
     “有限无界?有点玄。”伽利略咕噜了一句。
     爱因斯坦想进一步用高维世界中的球面来进行说明,但意识到如此会更加显得“玄”了,就转而对牛顿说:
     “在你的力学公式中有两种品质,力学第二定律里的是惯性品质;万有引力定律里的是引力品质,它们应该是相等的。在这个基础上,我建立了广义相对论。它认为,空间的几何性质不是独立的,而是由物质来决定,形象地说,有品质的物质使周围的空间弯曲了。”
     “啊?——”众人一片惊讶声。

   
 
     图12有品质的物质使周围的空间弯曲了

     “弯曲是一种形状的变化。空间无所谓形状大小,何来弯曲呢?”亚里斯多德问。
     “您说的不无道理,我在理论上迈出这一步,思想上也经过了一番挣扎。”爱因斯坦说,“但是,数学是公正的,计算结果表明,如果物质是均匀分布的,宇宙就必然是球形(或椭圆形)的。”
     “宇宙要么是团集而无限,要么是有限而无界。”牛顿无奈地说。
      “嘿嘿,广袤宇宙奥妙无穷。应该会有层出不穷的问题等着人类去探索的吧。”亚里斯多德感慨地说。
     “是呀,我们根据广义相对论对宇宙进行了探讨,期间也经历了反复。”爱因斯坦说,“最初我以为物质应该呈准静态分布,所以在引力场方程中附加了一个宇宙项。而比利时的勒梅特,则根据我的引力场方程,提出了大尺度宇宙空间随时间膨胀的预言。那么,宇宙究竟是静态的还是膨胀的呢?后来哈勃得出的定律给出了一个答案。大家知道,车辆向我们迎面驶来时,它鸣叫声的频率变高了;反之,它驶离我们时,其声频变低了,这被称之为多普勒效应。光是一种波,发光的天体也会产生多普勒效应:迎面而来的天体,其光谱产生了紫移;离我们而去的天体其光谱则是红移。1929年,哈勃发现:银河系以外的星系普遍存在着红移现象,它们离开我们的视向速率正比于其与我们之间的距离,这就是哈勃定律。它告诉我们,整个宇宙处于膨胀之中,而且这种膨胀速度与距离成正比,因而,宇宙既是处处没有中心,又是处处为中心。看来,我在引力场方程中增补了一个宇宙项,是个很大的错误。”
     “哈哈,爱因斯坦先生,后来有人指出,你的附加项是个伟大的预言呢。”爱因斯坦逝世时才10岁的月弓插进来说,“开始,人们以为引力会使得宇宙的膨胀速度逐渐减缓。然而在1998年,两个研究小组通过对Ia型超新星的观察分析,共同得出了宇宙正在加速膨胀的结果。从而认为:存在着大量的暗能量,是它们使宇宙加速膨胀,而爱因斯坦先生的附加项正代表了暗能量!”
     “宇宙在膨胀,而且正在加速膨胀,这听起来很有趣。那么,它为什么膨胀?什么时候开始膨胀?有更有说服力的证据吗?“
     “亚里斯多德先生问得好!科学就是要寻根问底。”爱因斯坦说,“由于宇宙在膨胀,勒梅特和乔治‧伽莫夫认为:它应该始于一次大爆炸。大爆炸发生时,宇宙物质密度极大。对于很大的场的密度和物质的密度,场方程以及这些方程中的场变数,都不会有真实意义,因此,我心里对此总感到有点不踏实。”
     “爱因斯坦先生的担忧是种先见之明。不过,到了20世纪下半世纪,大爆炸宇宙学有了很大的发展。”月弓说。
     “既然说我的担忧是种先见之明,那么,大爆炸理论确有不少问题吧。”
     “是啊,许多人指出,大爆炸宇宙学的发展,看起来是在用新的疑难掩盖旧的疑难。”
     “哦,说来听听。”爱因斯坦饶有兴致地对月弓说。
     “情况是这样的:用大爆炸宇宙学来探讨初始宇宙时,存在着四大疑难。一是奇点疑难,大爆炸始于一个时空奇点,而一切物理定律在奇点处都无效,这真让人摸不著头脑。二是视界疑难,大爆炸造成了许多无因果联系的视界,而目前宇宙具有普遍性的因果联系,从而难以自洽。三是平直性疑难,目前我们的宇宙是平直的,这要求早期的宇宙更有平直性,但是初始宇宙的物质密度非常大,半径又相当小,怎么会是平直的呢?四是磁单极疑难,根据有关理论,宇宙大爆炸后,在不同视界的相交处将会产生磁单极,它们品质大,数量多,早就应该被发现了,但实际上却从未发现一个!为了消除这些疑难,20世纪80 年代,出现了 “暴胀”理论。它是这样描述的:我们的宇宙是在大爆炸后,由一个原始视界的暴涨形成的,它在10的负33次方秒的瞬间,扩大了2的100次方倍!”
     “哇,2的100次方倍可是个天文数字呀,如来佛也没有这等功力吧。“张衡惊叹道,大家纷纷咋舌。
     “不过,暴涨能消除奇点以外的3个疑难: 因为宇宙是由一个视界暴胀起来的,视界疑难自然不再存在;磁单极也成了个别现象,至今没有发现就不足为奇;在暴胀中,宇宙的曲率半径瞬间变大,所以,无论初始宇宙如何弯曲,暴胀后,它都将是平直的。因此,它很受当时宇宙学家的青睐。但其本身无疑是更个大的疑难。”月弓说,“暴涨时间短,扩张范围大,常见的物质来不及形成,于是宇宙学家说,宇宙中的物质,我们能够观察到的,或通过仪器能够探测到的常见物质只占5%左右,而绝大多数是我们看不见,摸不到的暗物质、暗能量。但是,暗物质、暗能量究竟是什么?却一直没有明确的答案。另外,可见宇宙是一个原始视界的暴胀结果,那么其他原始视界是否也会暴胀呢?按照逻辑,这当然有可能。于是就出现了平行宇宙之类的多宇宙说。这其实是对有限宇宙论的否定,将宇宙学降格成了局部宇宙学。而其他的平行宇宙的存在性又成了比天更大的疑难!”
     “呵呵,这有点像越滚越多的本轮、匀论体系,但显得更为怪诞,不可思议。”哥白尼摇摇头。
     “嗨,宇宙学后来竟发展成了这种模样?”爱因斯坦有点懵。
     “理论的发展呈现出用新的疑难掩盖旧的疑难,这从逻辑上来看,很可能出发点就错了。”亚里斯多德分析说。
     “是呀,看来问题出在20世纪宇宙学的源头上。这个宇宙学的理论基础是爱因斯坦先生的广义相对论,它其实是一种引力论。用广义相对论的引力场方程去描述整个宇宙的演化,实际上就是将引力场当作了可以支配所有物质运动的‘宇宙场’了。”
     “你的话外之意是:引力场不能支配全宇宙的物质运动?”爱因斯坦说。
     “是的。实际上,在20世纪已知的相互作用场中,已经可以发现,它们的作用都有一定的区间性:在原子核内,强相互作用起主要作用;在原子世界,则由电磁相互作用发挥主导作用;到了太阳系世界,引力相互作用才占绝对优势。由此推测,引力相互作用到了宇观世界有可能被新的相互作用超越或替代。”
     “唔,这个观点挺新鲜的,有证据吗?”爱因斯坦关切地问。
     “有呀,在星系、星系团的宇观世界里存在着‘品质缺失’现象,这个您听说了吧?”
“噢,听说了,就是已知的星系品质所具有的引力,远远地不足以说明一些天体的运动状态是吧。对此,有人认为存在着大量的看不见的暗物质,也有人提出,在星系尺度上,万有引力定律所表述的引力与距离的关系应当修正。”
“这两种看法其实都是囿于引力场是宇宙场的观点。跳出这一思路,根据场作用的区间性,品质缺失现象是存在宇观场的表现,这很自然,而不是存在暗物质。实际上,20世纪后期到21世纪初,人们花了大量的人力、物力,上天、入地设法探测暗物质,结果还是一无所获。”月弓说。
     “不过,哈勃定律显示宇宙在膨胀。这个观察事实应该是可靠的吧。”爱因斯坦说。
      “银河外星系普遍存在着红移,这确是事实。不过,哈勃定律把这红移全看成是由视向退行速度引起的多普勒效应,这是有问题的。”
     “有点道理,哈勃定律中的速度和距离均是间接得到的量。直接的观察量是红移和视星等。”爱因斯坦说,”但如果不是多普勒效应,银河外星系的普遍性红移会是怎么回事呢?”
     “不少人提出了光子能量耗散说。光在几十万年以上的长时期传播过程中,能量耗散引起红移是有可能的。比如说,太空中普遍存在着宇宙背景辐射,它就有可能会与星光发生一定的作用。还有一个更大的可能是:宇观场对光的作用。在宇观世界,这种作用持续不断,它的累积造成了宇宙学红移。”月弓回答说。
     “等等,你刚才说的‘宇宙背景辐射’是什么意思?”
     “哦,大爆炸宇宙学认为,既然宇宙起源于一次大爆炸,那么,爆炸引起的热辐射必然充斥于整个宇宙而成为宇宙背景辐射。它会随着宇宙的膨胀而不断降温,即发生红移。”
     “噢,原来指的是这个。听说伽莫夫的两位学生计算出大爆炸火球遗留下来的辐射应该具有仅仅5K的温度。伽莫夫自己在他撰写的《宇宙创生》一书中公布的数字则要稍稍大些。后来这宇宙背景辐射真的发现了?”
     “是的。二十世纪六十年代,科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊发现,存在消除不掉的电磁背景杂讯,其波长为微波级,相当于绝对温度3K。”
     “这是对大爆炸宇宙学的一个有力支持啊。”
     “不错,大爆炸宇宙学家确实为此欢呼雀跃。”月弓说,“不过,宇宙无限论者也可以这样解说:任何天体都在不停地辐射、反射、折射、吸收著电磁波。这些电磁波持续不断地捣腾,在宇宙背景中形成了基本稳定的辐射,即造成了太空的一定温度,是很自然的。它可看成是太空中的宏观的真空起伏,是乙太海洋里的‘无风三尺浪’的表现,本来如此,以后也会如此。”
     “乙太,就是存在于天上的元素?”亚里斯多德问。他认为地上的物质由水、火、气、土四大元素构成,而天上还存在着第5种元素——乙太。
     “亚里斯多德先生,我们已了解到,天上的星球与我们地球的物质构成是差不多的。而在实物以外的真空里,也充斥着非实物性的物质,这种真空态的物质,我们称之为乙太。它不仅存在于太空中,也存在于你、我之间,身体内外。”
     “哦,世界真是丰富多彩呀。”亚里斯多德感叹说。
     “看来,大爆炸宇宙学不一定能够成立。那么,你对宇宙学问题的看法如何呢?“爱因斯坦问月弓。
     “我想,任何时期的物理学总会有一定的局限性,一定的适用范围。因此,想用已知的物理学知识,去科学地描述宇宙的整体演化是不切实际的。人类的认识总是有限的,而宇宙是无限的。我们可以不断地加深对宇宙的认识,但不可能穷尽它。”
     “老实说,我也曾经有这方面的顾虑:我们不清楚思维的具体机制,不知道全身器官是如何协调的,连自己的身体还搞不清楚,竟能描述整个宇宙的演化?不过,勇于探索是人类的天性,有一丝希望,就值得尝试。噢,请你继续。”
      “我想,我们可以逐步描述宇宙的物质构架。我把实物的分割阶层:……星系-星团-太阳系-星球-物体-分子-原子-粒子……,称为‘一阶等级式宇宙模型’
     “场是物质连续分布的一种形态。真空中的场现象是由乙太造成的。场作用的区间性,意味着存在一系列的区间场乙太。它们是比实物高一阶的物质基本存在形式,其系列构成了“二阶等级式宇宙模型”。在区间场乙太之上,还会有更高一阶,高二阶等等,及至无穷阶的物质基本存在形式存在。因此,整个宇宙应该是种‘无穷阶等级式宇宙模型’。”
     “哈哈,这样的模型有点意思,但有些玄啊。”爱因斯坦说,先贤们都感觉有点摸不著头脑。
     “我来打个比方吧。”月弓说,“拿植物界来说,植物在长期的进化过程中,‘等级式’地形成了成千上万个物种,在种之上可分成属;在属之又上可分为科;而在科之上还可以依次地分出目、纲、门等等,这些“种”、“属”、“科”、“目”、“纲”、“门”等等就代表了植物的一些基本特性。这就是植物界的“多阶等级式”现象。局部的物质界是有限的,宇宙是无限的,整个宇宙的物质构架应当是无限延伸的“无穷阶等级式”的。”
     “唔,有道理,只是太抽象了。如果我们能上天入地实际考察一番就好啦。”爱因斯坦开玩笑似地说。
     “可以呀,诸位坐好啦,现在我们先上天去吧。”


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