預知宇宙紀事(The Whole Shebang: A State-of-the-Universes Report ,Timothy Ferris)
去年聖誕節新型的韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)被送上太空,並於今年的1月24日成功的抵達最終目的地距離地球約150萬公里的日地系統拉格朗點準備開始執行它的任務.這架望遠鏡的主要的任務是觀測在宇宙學發展中倚重的星雲殘餘紅外線光譜,它也就是我們今天可以看到的宇宙的初期狀態,藉此研究星系的形成和演化,了解恆星和行星系統的形成,並試圖進一步探究行星系統和生命起源.韋伯望遠鏡的任務與本書"預知宇宙紀事"所寫的內容基本是連結貼合的,書裡敘述的是人類從過去到今日對於宇宙如何形成的理解與知識累積的發展過程.
為何觀察宇宙中星雲的紅外線光譜很重要呢?在物理學領域,紅移(Redshift)是指電磁輻射由於某種原因導致波長增加,頻率降低的現象,在可見光波段,表現為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離.相反的,電磁輻射的波長變短,頻率升高的現象則被稱為藍移.紅移最初是在人們熟悉的可見光波段發現的,隨著對電磁波譜各個波段的了解逐步加深,任何電磁輻射的波長增加都可以稱為紅移.當光源移動遠離觀測者時,觀測者觀察到的電磁波譜會發生紅移,這類似於聲波因為都卜勒效應造成的頻率變化.這機制能用來說明在遙遠的星系,類星體,星系間的氣體雲的光譜中觀察到的紅移現象,其紅移增加的比例與距離成正比,而這種關係被認為對宇宙膨脹的觀點提供了有力的支持,所以人類觀察太空中的星雲紅外線光譜就是在觀察宇宙,宇宙膨脹,與相關的星雲,星系,星體發展的一種基本方式,這種星雲的紅移表現為宇宙膨脹的證明稱為哈伯定律.另一種形式的紅移是重力紅移,它是一種相對論性效應,當電磁輻射傳播遠離重力場時會觀測到這種效應,反過來說,當電磁輻射傳播接近重力場時會觀測到重力藍移,其波長變短,頻率升高.根據廣義相對論,光從重力場中發射出來時也會發生紅移的現象,這種紅移稱為重力紅移.如此紅移將哈伯,相對論的愛因斯坦,重力的牛頓,波源的都卜勒等不同領域的專家都串聯在一起,這是宇宙膨脹的可能表徵,大爆炸或本書稱之為"大霹靂",是宇宙學一切的開端.
人們可以想像突然有一個實驗駁斥了廣為接受的理論,這些理論已成為物理學標準共識的一部分.科學不是一成不變的教條,以為偏離舊規就是冒著被科學界驅逐的風險或可能被剝奪肩章,它其實是一個自我糾正的探究系統,發現其中的錯誤,其中有很多現象遲早會通過實驗或更仔細的分析來發現.科學也是一個自下而上的系統,在這個系統中,宏大的理論不是在一個總體的,自成一格的情況下達成的,而是透過從許多小案例中建立推論.科學發現,即使是最令人印象深刻的發現,偶然也會發現充滿錯誤的認識,因此在它們真正開始發揚或被運用之前必須解決這些錯誤,在這個領域充滿個可能,欠缺不可撼動的神諭與確定性,當然分支的枯萎並不意味著整個理論注定要失敗.
今天的宇宙學主要是在所謂"大爆炸"模型的框架內進行的.它認為宇宙開始於高密度狀態,此後它展開膨脹和冷卻,但其實這是一個尚為完備的理論,人類對於宇宙相關的知識與認識實在太渺小,一方面是基於它浩瀚無垠的範圍,一方面是基於自身力量的渺小,人類連太陽系都認識不全,甚至連地球都未能理解完全,加上科技手段的不足.大爆炸模型遠未完成.科學家們還不知道宇宙的確切年齡,它有多大,它膨脹的速度,其中有多少物質,或者它來自哪裡.雖然這本書裡關於以上這些知識都提出了前人專家的計算,或猜想,但其實我們是真不清楚這一切是如何發生的,大部分的內容仍停留在無法驗證的條件下.宇宙,恆星和星系中有很多我們完全不知道的事情.這些問題或可能將通過一種或另一種方式得到解決,而不會留下標準模型的基本規則.
古希臘人認為地球固定在宇宙的中心,由同心水晶球環繞,太陽,月亮,行星和恆星都附著在這些球體上.這個模型很好的回答了常識:星星確實似乎每天都在繞地球轉.而另一種建議:這種效果是由地球自轉產生的卻遇到了無法克服的困難.如果地球在旋轉,為什麼一個人直接跳起來落下的腳印會在,而不是向西數百碼之處?地心宇宙在美學上令人愉悅,它將我們的世界描繪成一個以地球中心的一組嵌套的球體,一個與柏拉圖產生共鳴的概念.但希臘人並不滿足於僅僅欣賞它的輝煌.他們還期望理論能夠解釋過去在天空中看到的運動並預測未來出現的運動,如日月蝕行星交會等事件.正是出於這些原因,我們稱讚希臘人是現代科學的先驅,他們的懷疑態度引發了科學特有的質疑,顛覆和永遠不滿的精神.他們的模型的最終失敗了,被證明是錯誤.一個理論可能是明智,美麗的,但也可能是完全錯誤的,並沒有對行星的運動產生準確的預測.
托勒密在二世紀提出了更複雜的模型:地心論,托勒密的宇宙在西方統治了1400年,直到受到哥白尼的挑戰.今天的學童仍在被教導,以太陽為中心的哥白尼觀點為宇宙學帶來了簡單和光明.但哥白尼的原始模型形式既不比托勒密複雜,也不比托勒密精確.但是透過證明太陽是宇宙的中心的觀點可以與托勒密的地心論競爭,它為原創思想開闢了新的機會.但是哥白尼模型受到兩個主要問題的困擾.由於它將行星描繪成以完美的圓圈圍繞太陽運行,它被推向了複雜性和錯誤的方向.首先行星軌道不是圓形的而是橢圓形的.其次預測軌道上的行星運動的方式自古希臘以來並沒有太大進步.因此糾正哥白尼宇宙學中的缺陷並將其與地球物理學相結合來解決這些問題,就落在了兩位主要學者身上.開普勒和伽利略都是才華橫溢的人物,他們的著作將他們的思想帶入了整個世界.
對我們大多數人來說,理解並欣賞科學定律之美是一種後天的品味,很少有人在他們的成長時期對會科學產生敏感的興趣,但是對於那些想要學習如何評價科學性的人來說,開普勒定律是一個很好的起點. 第一定律揭示了行星的軌道不是完美的圓,而是橢圓,太陽位於每個橢圓的一個焦點上.這一論證促使康德稱開普勒為有史以來最敏銳的思想家.與當時的所有其他宇宙學家一樣,開普勒假設行星軌道必須是圓形的.為了得出橢圓假設,他需要擱置他自己的知識結構和他所屬的社會關係.在得知這一突破性的現象後,他同時代人感到沮喪,不僅批評他的假設,而且批評他的方法,其中涉及比當時任何天文學家使用的更複雜的數學的密集應用.就連向開普勒介紹哥白尼地心論的大師梅斯特林(Michael Maestlin)也反對他,因此開普勒的成就更加引人注目,當他訴諸橢圓時,他已經贏得了可觀的聲譽.
在開普勒做這一切的同時,伽利略正在修復哥白尼理論的物理學缺陷.開普勒和伽利略都是革命者,他們成功地擺脫了古老的信念,即純粹的思考優於將球滾下斜面,或眼睛透過望遠鏡觀察世界以及以其他方式探詢物質世界的笨拙且經常混亂的方式.愛因斯坦曾寫詩讚美他倆,強調他們願意在自然界中尋找真理,從而克服了傳統上對抽象思維而非經驗觀察的傳統偏好.愛因斯坦指出,開普勒必須認識到,即使是邏輯最清晰的數學理論本身也不能保證真理,除非與自然科學中最嚴格的觀察結果進行核對,否則它變得毫無意義.而純粹的邏輯思維不能為我們提供任何關於經驗世界的知識,所有關於實相的知識都始於經驗,止於經驗.通過純邏輯手段得出的命題就現實而言是完全空洞的.因為伽利略看到了這一點,他把它引入了科學界,所以他是現代物理學之父,也是現代科學之父.
伽利略對宇宙學物理學最重要的貢獻在於他對慣性概念的洞察力.亞里士多德假設物體的自然趨勢是保持靜止,除非你花費精力來移動它.伽利略看出這個常識性的假設是錯誤的.他把木塊推過桌面,然後把桌子和木塊擦乾淨,又把木塊推了一遍,思考著摩擦越少,它們能走得越遠這一事實的意義.他推斷,如果它們可以完美打磨,沒有摩擦,它們就會永遠移動.他提出慣性不僅只是靜止物體保持靜止的趨勢,而且是運動物體保持繼續運動.伽利略反直覺的洞察力解決了對哥白尼關於地球運動的斷言的基本反對意見.今天我們已經看到了足夠多的宇宙,知道運動而不是靜止是物質的普通狀態,而靜止不動最多是一種局部特徵,用局部慣性靜止框架來衡量.看得越遠,就越會發現一切,相對於大多數其他事物,都在移動.宇宙生來就躁動不安,從那以後就再也沒有靜止過. 伽利略的晚年被迫在宗教裁判所前屈膝屈膝懺悔,在軟禁中度過餘生.但他政治失敗的原因不僅僅是羅馬當局不願改變他們的想法,也是因為伽利略雖然擁有許多強有力的類比論據,但始終無法對哥白尼的宇宙學進行定量辯護.這是由艾薩克牛頓完成的.
牛頓提出的方程準確地預測了行星的運動和物體落在地球上的速度,揭示了兩者都是由單一的力:重力引起的.它證明了哥白尼,開普勒和伽利略的日心論宇宙觀,同時也統一了天地物理學.牛頓的研究開創了兩項從那時起一直持續下去的科學事業.透過對地球內外現象的調查促進物理學的進步,以及對一個雖然巨大但出於某種原因可供人類探究的宇宙的繪圖. 牛頓"原理"出版後的兩個世紀後,太陽系測繪取得了實質性進展.裝備有望遠鏡和精確時鐘的航海天文鐘,開發用於使航海者能夠確定它們的經度.觀察了1761和1769倆此金星在太陽表面的凌日,結果產生了相當準確的地球軌道的數值,透過視差三角測量給計算地球到附近恆星的距離鋪平了道路.1838年第一個準確的恆星測繪:天鵝座距離地球11光年.
與此同時,天文學從最初的觀察者按照自身隨機的發現探索收集成千上萬的觀測對天體進行分類,發展到成熟的天體物理學,這是一門科學不僅描述了宇宙外星的現象,而且對它們的運動方式提供了合理的解釋.只是這個領域對大眾來說,更像是在看一部演員說著不懂的外語表演的戲劇,由天文學者充當翻譯解釋宇宙星團演員在說什麼及如何運動,如此行為模式就變得可以理解了.通過天體物理學,可以超越描述天空的樣子,天體物理學興起的關鍵是分光鏡,它將光分解成其組成頻率.在分光鏡的幫助下,哈伯在1929年確認大多數星系正在以與它們的距離成正比的速度從銀河系中衝出:第一次證明宇宙正在膨脹.
宇宙空間正在伸展並承載著星系的想法是 20 世紀的一項創新,這是在所有先前的科學文獻中都沒有預料到的.然而奇怪的是,在哈伯在天空中發現宇宙膨脹的證據前不久,理論物理學中就出現了宇宙膨脹的想法.愛因斯坦的廣義相對論於1916年奠定了基礎,它暗示宇宙空間不可能是靜止的,而必須是膨脹或收縮.愛因斯坦起初反對這個奇怪的想法,但很快發現自己不得不接受所涉及的數學推理的有效性.然後在1929年,對這個理論並不熟悉的哈伯獨立發現了宇宙的膨脹.
所謂的大爆炸模型源於對膨脹宇宙在它嬰兒期:即剛發生爆炸的前幾秒鐘會是什麼樣子的思考.今天可觀測的宇宙大約有150億光年的半徑.當它的半徑小得多甚至只有一光年時宇宙中的所有物質都聚集在一個小得多的空間裡.而任何特定數量的物質,壓縮到更小的空間時將以更高的密度,更熱的樣貌來呈現.因此,可以合理地想像早期的宇宙可能不僅稠密,而且還很熱.非常熱.當宇宙誕生第1秒時,每一勺物質都比石頭還稠密,比太陽中心還熱.宇宙的膨脹和隨之而來的冷卻使原子,分子,星系和生物得以形成.我們所說的物質是凍結的能量.它之所以凍結,是因為宇宙由於它的膨脹而冷卻了.大爆炸理論暗示,隨著年輕宇宙的膨脹,應該有一個時間,現在估計在爆炸開始後大約50萬年那時原始等離子體變薄到足以對光透明.物理學家將此事件稱為光子去耦,這意味著光子,構成光和其他形式的電磁能的粒子,在這一點上被釋放了.此後,它們不再經常與彼此或與物質相互作用,而是在不斷擴大的宇宙空間中不受阻礙地翱翔.因此,它們中的大多數今天應該仍然存在.宇宙膨脹會將它們拉長,將它們的波長從光的波長增加到我們稱之為微波無線電的波長.在微波頻率中,用溫度來表示能量是很方便的,因此解釋這一論點的另一種方法是說,曾經很熱的宇宙應該保持不變今天也有點熱.物理學家推測這種宇宙微波背景射線(CMB,Cosmic Microwave Background radiation)的存在,計算出它的溫度應該比絕對零高約3度.他們還指出,它將顯示黑體輻射光譜,這由相關的量子物理方程決定,並且它應該是各向同性的,這意味著宇宙中任何地方的任何觀察者都應該測量具有相同溫度的背景天空中的任何地方.
人們可以將 宇宙微波背景視為自大爆炸以來就滲透到太空中的一團光子.當我們向遙遠的太空看去,時間倒退到宇宙微波背景光子更有活力的時候,我們發現霧霾變厚了.在最遠的地方,我們正在回望最初的一百萬年,霧霾變得不透明.因此,每個使用微波射電望遠鏡的觀察者都將宇宙視為一個球體,它在附近幾乎是透明的,但在其遙遠而熾熱的牆壁上卻是不透明的.
當這些關於宇宙微波背景的預測在1940年代首次提出時,很快就被遺忘了.大爆炸理論還沒有被認真對待,也沒有微波無線電接收器這樣的東西.然後,在1965 年,兩名物理學家使用為通信衛星實驗而建造的無線電接收器檢測到了宇宙微波背景.科學家們開始意識到通過研究宇宙微波背景,他們可以直接觀察宇宙,因為它距爆炸時間開始僅50萬年. 1989年NASA發射了一顆衛星:宇宙背景探測器衛星(COBE),旨在從軌道上研究宇宙微波背景,其探測器不受地球大氣層的干擾.衛星獲得的初步發現於次年公佈,結果證明是對大爆炸模型的驚人確認. 宇宙微波背景確實是各向同性的,也就是說,它在整個天空中具有相同的強度,就像任何真正普遍的東西一樣.而且,正如預期的那樣,它的溫度比絕對零高約三度,準確地說是2.726度.而且它的光譜符合黑體輻射光譜:擬合非常精確,以至於發佈公告的研究人員不得不擴大圖表上誤差線的大小,否則觀測數據點會消失在薄薄的區域, 宇宙背景探測器衛星的最後一次勝利出現在1992年,當時一張由反復觀測精心編制的全天圖將宇宙背景探測器衛星儀器的靈敏度推到了極限,證實了大爆炸理論的另一個重要預測.儘管一般來說均勻分佈在整個宇宙中,很早就開始聚集成密集的區域,從中形成星系團.這對理論家來說是個好消息,他們認為我們今天在宇宙中看到的巨大星系團,超星系團和星系氣泡是由早期宇宙不均勻性的引力吸引形成的.物質團塊被認為起源於量子漲落,微觀上偏離了早期宇宙中物質的普遍均勻分佈.關於這些不均勻性的光譜和大小,以及它們究竟如何導致我們今天在宇宙中看到的大尺度結構,還有很多需要研究.這些發現使大多數宇宙學家一致認為,宇宙是從一個熾熱的大爆炸狀態中產生的.
其他幾種證據支持大爆炸理論,包括宇宙元素豐度符合理論的預測.這裡的推理是,當原始火球冷卻時,質子和中子會結合起來形成原子核.核物理學家的計算表明大約四分之一的原子製造材料應該在宇宙中轉化為氦.大爆炸,還笧生了一點鋰,而其餘的則以氫的形式倖存下來.這正是經過這些科學家所發現的整個宇宙是 25%的氦和73%的氫.這理論假設所有較重的元素都是在恆星內部形成的,特別是在超新星中:爆炸的恆星,在太空中播下碎片雲,富含更重的元素,從中凝聚了現代恆星和行星,地球和太陽也在其中,而人們應該由此得知老恆星的重元素比年輕的恆星少.在一個大爆炸的宇宙中,應該有可能通過觀察很遠的距離來看到宇宙演化的直接證據,因為從數十億光年外到達我們的光已有數十億年的歷史,深空天文學的大部分光明前景來自於通過使用更強大的望遠鏡作為時間機器來直接觀察宇宙演化的前景,以觀察遙遠過去的宇宙.恆星的年齡與從膨脹率推斷出的宇宙年齡相吻合,至少根據一些數據.幾組有說服力的觀測表明,宇宙已經膨脹了大約 150 億年.這與已知最古老恆星的年齡相符,天體物理學家估計大約有140億年.但也有一些研究人員認為具有說服力的其他觀察結果產生了一個更年輕的宇宙.如果這些證明是正確的,那麼我們對最古老恆星年齡的理解或大爆炸理論的某些方面可能都有問題.
除了基於觀察的論據之外,還有所謂的大爆炸情景的理論證明.如果我們問大爆炸在哪些方面與其他公認的理論一致,我們會找到幾個答案.首先廣義相對論在許多實驗測試中倖存下來,並且似乎是完全準確的,因為它涉及在目前普遍存在於宇宙大部分地區的條件下對引力行為進行預測.廣義相對論意味著宇宙必須要麼膨脹要麼收縮.因此,我們在天空中發現宇宙膨脹的證據這一事實意味著一個成熟的理論,即相對論,支持另一個更具假設性的理論,即大爆炸.其次量子物理學也在大爆炸方案中找到了一個令人滿意的位置.利用量子力學,物理學家能夠預測宇宙微波背景的存在和光譜,計算有多少原始物質在大爆炸中變成了氦,並估計最古老恆星的年齡.量子物理學對涉及自然界四種基本力中的三種的事件做出準確的預測:原子中起作用的弱核力和強核力,以及產生光能和無線電能的電磁力.但是對於第四種力,引力,目前還沒有一個完全成熟的量子理論.不過引力是如此微弱,以至於在計算亞原子粒子的相互作用時可以忽略它,它們的質量如此之小,以至於它們相互之間的引力可以忽略不計.但在高密度的早期宇宙中,亞原子粒子的重量如此之大,以至於它們的相互引力影響與它們通過其他三種力的相互作用相當.要重建被認為在宇宙時間最初幾分之一秒內發生的事件,需要對引力進行量子解釋.這樣的理論可能會揭示量子力學和廣義相對論的單一原理,在我們目前的理解上,它們是基於相互矛盾的看待世界的方式.亞原子粒子的重量如此之大,以至於它們的相互引力影響與它們通過其他三種力的相互作用相當.要重建被認為在宇宙時間最初幾分之一秒內發生的事件,需要對引力進行量子解釋.這樣的理論可能會揭示量子力學和廣義相對論的單一原理.最後暴脹假說引起了對宇宙學的極大興趣.它提出,在宇宙歷史的黎明時刻,宇宙膨脹的速度比人們想像的要快得多,事實上膨脹的速度遠高於光速.暴脹假說不僅解決了困擾早期版本的大爆炸理論的幾個問題,而且表明宇宙非常大,並為我們的宇宙起源於更早的空間中產生的微觀氣泡的驚人推測打開了大門.宇宙,它又可能是眾多宇宙中的一個,這些宇宙像星星一樣散佈在難以接近的無限隨機空間和時間以及一系列自然法則中.
從當下觀之,宇宙大爆炸理論看起來狀態不錯.它得到了幾條可靠且或多或少獨立的證據的支持,目前還沒有真正的競爭對手.但仍然還有很多工作要做.如最近天文學家發現了宇宙膨脹速度實際上正在加速的證據,而不是像之前假設的那樣減速.理論家推測暗能量場正在導致加速膨脹.如果是這樣,那麼暗能量以及暗物質的性質仍有待闡述.正如我們文中所說的,這門學科受制於人類當前的能力與宇宙相比渺小的不可證性,我們所的知的一切,都是基於人類當下能力的理解,至於其中有多少是真正事實在未來沒有被推翻的可能,恐派沒有人知道,更沒有人能夠打出包票說這門學問乃至本書中所寫的一切都沒有問題,沒有錯誤,這是閱讀這類書籍必須有的一個基本心態.
我必須說做為一本科普讀物,這本顯然並不通俗,裏頭太多的概念與常識其實一點都不容易,顯然專業人士要對一般讀者說東西的理解困難仍在,無法簡單的說清複雜的概念.加上專有名詞太多,涉及物理,化學,常人必然連基本常識都沒有遑論這邊的科學名詞都是更複雜的複合的,簡直令人暈眩,更有問題的是本書的翻譯.我看了到譯者簡介的背景與列出過去的譯作,發現這似乎是他們第一次翻科普類的書籍,也許他們之前翻過許多文學,藝術,哲學,社會,商業類,但這本的翻譯絕對是災難.配上原先就不好理解的作者將科學觀點通俗化的能力,創造了一本很難讀懂的天書.沒有宇宙學常識的人想讀本書真的要很用力的去理解,不然寧可放棄.因為太容意催眠了.以上.
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