大爆炸與穩態理論

大爆炸理論如何贏得20世紀最重大的宇宙學辯論

1964年我開始在大學教書時,我的普通科學課程的必讀書目包括兩篇由兩位著名物理學家在八年前發表於《大眾科學》雜誌上的文章。大爆炸理論的主要構建者之一喬治·伽莫夫為宇宙起源於數十億年前的爆炸提出了論據,這場爆炸源於一個無限稠密和無限小的能量種子。穩態理論的堅定擁護者弗雷德·霍伊爾則為一個無限的、沒有開始也沒有結束的宇宙辯護,在這個宇宙中,物質在星系之間的空間中不斷產生。

這兩種理論都解釋了維斯托·斯萊弗、埃德溫·哈勃和米爾頓·胡馬森在本世紀最初幾十年發現的星系向外飛馳現象。兩種理論都有優點和缺點。例如,大爆炸理論成功地解釋了宇宙中已知的氫和氦的丰度,但卻提出了一個令人尷尬的開端,即無法解釋的起源。穩態理論避免了宇宙似乎憑空產生的絆腳石,但取而代之的是許多微小的、無法解釋的開端(那些物質粒子不斷地從虛無中出現)。然而,大爆炸理論做出了一個可檢驗的預測:如果宇宙起源於一次耀眼的光芒,那麼這種輻射的退化殘餘物應該仍然瀰漫在宇宙中,並且可以計算出這種微波頻率背景的精確光譜分佈。

與此同時,完全獨立地,新澤西州貝爾實驗室的兩名射電天文學家羅伯特·威爾遜和阿諾·彭齊亞斯,正試圖找到他們微波天線中惱人的嘶嘶聲的來源,這種嘶嘶聲似乎均勻地來自天空的各個部分。結果證明,這種嘶嘶聲恰好具有大爆炸宇宙學家預測的特徵。


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人類歷史上第一次,人類的思想構建了一個可以被實證檢驗的創世故事。隨著宇宙微波背景輻射的發現,大爆炸理論給其穩態理論競爭對手帶來了致命一擊。

這是一個精彩的故事,值得一位講故事大師來講述。西蒙·辛格——一位具有公認科學普及者資質的物理學家——勝任這項任務。他之前的著作《費馬大定理》和《密碼書》成為國際暢銷書。辛格巧妙地將故事的眾多線索編織在一起,從古希臘人的宇宙學推測開始,到當代棘手的問題“大爆炸之前發生了什麼?”結束。他的故事開始緩慢,但這僅僅是因為我們對早期參與者的個人生活知之甚少。隨著我們進入20世紀,以及其中活躍的、性格鮮明的人物與宇宙以及彼此爭論不休,辛格的故事才真正加速。

本書的核心是兩個偉大的歷史辯論。第一個辯論涉及整個19世紀編目的螺旋星雲,是我們銀河系的一部分,因此相對較近,還是遙遠的“島宇宙”。解決這場辯論意味著找到一種可靠的方法來測量星雲的距離。辛格將20世紀天文學界的兩位巨人——哈洛·沙普利和埃德溫·哈勃——推上舞臺,他們分別站在星雲辯論的對立面。他還讓安妮· Jump·坎農和亨麗埃塔·勒維特等應該更廣為人知的天文學家也閃亮登場。望遠鏡在辯論中發揮了主導作用,最著名的是威爾遜山上的100英寸胡克望遠鏡和帕洛馬山上的200英寸海爾反射望遠鏡,兩者都在加利福尼亞州。這些儀器使天文學家能夠將星雲分解成恆星,從而提供了必要的距離指標。

螺旋星雲確實是其他的銀河系。一旦星雲辯論得到解決,哈勃就認識到宇宙的膨脹,第二次偉大的辯論就提上了日程:大爆炸與穩態理論。重大的思想和巨大的自我都在其中。尤其是伽莫夫和霍伊爾,甚至在本雜誌的版面上也互相爭論。[中斷]

然後是20世紀60年代中期貝爾實驗室射電天文學家發現的宇宙背景輻射。我剛向我的學生介紹了20世紀最具爭議的宇宙學辯論,宇宙就低語著答案。

辛格生動幽默地展開了戲劇性的故事。我們遇到了害羞內向的科學家,也遇到了熱衷於爭論的科學家,偶然做出的史詩般的發現,以及被頑固的事實擊垮的美麗理論,一隻名叫開普勒的小狗,以及一隻在貝爾實驗室望遠鏡中安家的頑固鴿子。對於任何想了解科學究竟是什麼的人來說,這是一本完美的書。

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