探索宇宙身世之百年回望

我常說：“洞察宇宙的身世，是人類智慧的驕傲?！北Ａ_·哈爾彭這部《創(chuàng)世之辯：伽莫夫、霍伊爾和宇宙大爆炸》（以下簡稱《創(chuàng)世之辯》），正是人類立足現(xiàn)代科學(xué)探索宇宙起源的忠實寫照。

宇宙中的天體五花八門。在太陽系內(nèi)，有太陽、行星、衛(wèi)星、彗星等；在太陽系外，數(shù)以千億計的恒星、大量的星云、星際物質(zhì)等組成一個典型的星系——銀河系。如今人類在宇宙中觀測所及的星系已經(jīng)超過千億。以星系為基本單元組成的天體系統(tǒng)，按成員數(shù)由少而多，依次有星系群、星系團、超星系團，乃至規(guī)模更宏偉的各種宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。今天，天文學(xué)家還知曉宇宙中的全部物質(zhì)實際上由三大部分組成，即普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量。其中普通物質(zhì)所占的比例尚不足5%，如何查明暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)則依然令科學(xué)家們絞盡腦汁。

幾千年來，人類的宇宙觀念經(jīng)歷了天翻地覆的變化。簡而言之這可以分為四個階段：古代樸素的宇宙觀、地心宇宙體系、日心宇宙體系以及現(xiàn)代宇宙學(xué)說。世界各古老文明對于宇宙結(jié)構(gòu)各有不同的樸素猜測。例如，中國古代的早期蓋天說認(rèn)為天似穹廬，籠罩著平坦的大地。古希臘天文學(xué)家建立的地心宇宙體系在歐洲流行了千余年之久，認(rèn)為地球是宇宙的中心，群星在各自的天球上繞地球運行，最外層的是恒星天球。16世紀(jì)，波蘭天文學(xué)家哥白尼提出的日心宇宙體系主張?zhí)栁挥谟钪嬷行?，包括地球在?nèi)的行星皆繞日運行，恒星天球則與地心宇宙體系所述無大差異。在現(xiàn)代宇宙學(xué)說中，當(dāng)今居主導(dǎo)地位的是大爆炸宇宙論，它的提出和發(fā)展乃是本書的主線。

人類有關(guān)宇宙演化的觀念，主要體現(xiàn)在兩方面。一是宇宙中各種天體的演化，二是宇宙作為一個整體的演化。例如，“恒星”一語的“恒”字，原意為固定不變：不僅群星的空間位置不變，而且其自身狀態(tài)亦不變。但實際上，所有的恒星卻既在運動又在演化，唯“恒星”一詞沿用如故。至于宇宙作為一個整體，人們早先一直認(rèn)為盡管存在著局部的運動變化，宇宙整體上卻是靜止不變的。20世紀(jì)，隨著現(xiàn)代宇宙學(xué)的進展，這種陳舊僵化的觀念已被徹底擯棄。

現(xiàn)代宇宙學(xué)由理論和觀測兩大部分構(gòu)成，它們相輔相成，攜手前行。1917年，愛因斯坦發(fā)表論文《根據(jù)廣義相對論對宇宙學(xué)所作的考察》，標(biāo)志著現(xiàn)代理論宇宙學(xué)的開端。愛因斯坦本人建立的是一個“靜態(tài)、有限、無界”的宇宙模型。1922年，俄國數(shù)學(xué)家弗里德曼（A. Friedmann）以廣義相對論為基礎(chǔ)論證了宇宙隨時間膨脹的可能性。1927年，比利時天文學(xué)家勒梅特（G. Lema？tre）又導(dǎo)出了我們的宇宙隨著時間而膨脹的結(jié)論。

1929年，美國天文學(xué)家哈勃（E. Hubble）發(fā)表《河外星云距離與視向速度的關(guān)系》一文，堪稱現(xiàn)代觀測宇宙學(xué)的開山之作。文中論證了距離我們越遠的河外星云，其離開我們而去的運動速度就越大，兩者之間存在著良好的正比關(guān)系。這就是聞名于世的“哈勃定律”。后來，“河外星云”一詞為“河外星系”所取代，但哈勃定律在更大的時空尺度上依然成立。1930年，英國天文學(xué)家愛丁頓（A. Eddington）將哈勃的發(fā)現(xiàn)解釋為宇宙的整體膨脹效應(yīng)。容易理解，在這樣的膨脹宇宙中，所有的星系都在彼此四散分離，而并非只是遠離我們而去。

1932年勒梅特提出，今天的宇宙由一個溫度極高、體積極小、密度極大的“原始原子”爆發(fā)、膨脹而來，爆炸的碎片后來形成無數(shù)的星系，至今仍在向四面八方飛散開去。1940年代后期，美籍俄裔物理學(xué)家伽莫夫（G. Gamow）及其合作者繼承并發(fā)展勒梅特的思想，從理論上計算了宇宙原初爆炸的溫度，計算了應(yīng)有多少能量轉(zhuǎn)化為各種基本粒子，進而又怎樣形成各種原子，等等。幾十年來，這種大爆炸宇宙論不斷改善，成功地預(yù)言和解釋了眾多的天文觀測事實，從而成為當(dāng)代宇宙學(xué)的主流理論。鑒于勒梅特對現(xiàn)代宇宙學(xué)理論做出的歷史性貢獻，國際天文學(xué)聯(lián)合會于2018年決議將哈勃定律重新命名為“哈勃-勒梅特定律”。

創(chuàng)世之辯的詳情當(dāng)然遠非上述故事梗概那么簡單。1940年代后期，幾乎與伽莫夫等人的大爆炸宇宙論同時，另一種宇宙演化理論——穩(wěn)恒態(tài)宇宙論也登場了，英國天文學(xué)家霍伊爾（F. Hoyle）是力主此說的代表人物。穩(wěn)恒態(tài)宇宙論認(rèn)為，宇宙雖然在單調(diào)地膨脹，但它在空間上保持均勻且各向同性，在時間上也保持穩(wěn)定。這就要求在宇宙膨脹的過程中，物質(zhì)密度保持不變，因此物質(zhì)應(yīng)該連續(xù)不斷地從虛空中誕生。

在今天看來，穩(wěn)恒態(tài)宇宙論的主張似乎是太奇特了。在歷史上，穩(wěn)恒態(tài)宇宙論所預(yù)言的星系分布、宇宙射電源計數(shù)等都與天文觀測不符，兼之它又難以解釋宇宙微波背景輻射，因此到1960年代末已漸趨式微。人們不免困惑：作為一名成果豐碩的知名科學(xué)家，霍伊爾究竟為何遲遲“不服輸”，直至1990年代還繼續(xù)發(fā)文，對穩(wěn)恒態(tài)理論修修補補？《創(chuàng)世之辯》一書對霍伊爾的思維模式多有探討，這對理解上述問題頗有裨益。

《創(chuàng)世之辯》構(gòu)思獨到，下筆用心。它緊抓要領(lǐng)，又注重細節(jié)。書中圍繞伽莫夫和霍伊爾這兩位主角先后亮相的科學(xué)家可謂群英薈萃，他們的戲份各有輕重，作者著墨也濃淡有致。史事記實與人物列傳有機交織的架構(gòu)，更使本書引人入勝。

有人把霍伊爾和伽莫夫看作創(chuàng)世之辯中的一對冤家。其實，他們?nèi)珶o私怨。他倆的獨特秉性，在《創(chuàng)世之辯》中時有生動的描述。伽莫夫是在諸多學(xué)科之間跳來跳去且皆有建樹的“頑童”。例如，除了宇宙大爆炸理論，他對原子核物理學(xué)也貢獻良多。在生物化學(xué)中，他于1954年提出，核酸對于蛋白質(zhì)的合成起著某種“遺傳密碼”的作用，并率先提出此種“遺傳密碼”由核苷酸三聯(lián)體組成。盡管其理論細節(jié)有瑕，但他首創(chuàng)的這種觀念總體上卻是正確的。同時，伽莫夫還是一位獨具魅力的科普大家。他的科普作品膾炙人口，被譯成多種文字流行于世，包括中文版的《物理世界奇遇記》《從一到無窮大》等。

1968年伽莫夫去世了，終年64歲。他未能獲得諾貝爾獎，但在其身后，諾貝爾物理學(xué)獎卻多次授予與大爆炸宇宙論密切相關(guān)的項目。最典型者如彭齊亞斯（A. Penzias）和威爾遜（R. Wilson）因在1965年發(fā)現(xiàn)大爆炸預(yù)言的宇宙微波背景輻射，而于1978年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。此外，也有諸多諾獎得主對他欽佩有加。例如，因發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)而獲得1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的沃森（J. Watson），多年后在其《基因·女郎·伽莫夫》一書中說道：伽莫夫“同時涉足這些領(lǐng)域……他從不指望每次探索都有結(jié)果，因而總是在過程中尋找樂趣。如今回首自己的人生，才明白喬（伽莫夫的昵稱）的睿智遠遠超出了我最初對他的評價?！?/p>

霍伊爾比伽莫夫小11歲，生于1915年。他的研究領(lǐng)域也非常廣泛。其中宇宙中的元素合成理論是一項影響深遠的重大成果。這一理論詳細闡釋了宇宙中各種元素及其同位素的形成過程。參與合作研究的共有4位科學(xué)家：天文學(xué)家杰弗里·伯比奇（G. Burbidge）和瑪格麗特·伯比奇（M. Burbidge）夫婦、核物理學(xué)家福勒（W. Fowler）以及霍伊爾本人。合作者公認(rèn)霍伊爾是這一理論的創(chuàng)始人，貢獻也最大。1983年，此項成果奪得了諾貝爾物理學(xué)獎，但獲獎人是福勒而不是霍伊爾。世人對此猜測紛紛，甚至福勒本人也感到驚奇，他在自傳中寫道：“恒星中由核聚變產(chǎn)生新元素的概念是霍伊爾于1946年首次建立的。這提供了一種解釋宇宙中比氦重的元素產(chǎn)生的途徑……霍伊爾推測，其他更罕見的元素可以在超新星爆發(fā)過程中產(chǎn)生?！苯芨ダ铩げ绕鎰t在2008年寫道：“霍伊爾本應(yīng)因這項工作和其他工作而獲得諾貝爾獎?；粢翣柕呢暙I被低估了?！绷硗?，霍伊爾也同伽莫夫一樣，發(fā)表了大量優(yōu)秀的科普作品，而且是用真名發(fā)表科幻小說的少數(shù)當(dāng)代著名科學(xué)家之一。

《創(chuàng)世之辯》同許多科學(xué)讀物一樣，談及愛丁頓等利用1919年5月29日日全食的機會，觀測研究星光途經(jīng)太陽近旁發(fā)生的偏轉(zhuǎn)，從而證實了廣義相對論關(guān)于引力場使光線彎曲的預(yù)言。確實，日全食太迷人了。20世紀(jì)中國大地上可見的最后一次日全食，發(fā)生在1997年3月9日，全食帶經(jīng)過黑龍江省極北的漠河縣。為觀測這一奇景，大批天文學(xué)家和愛好者從全國各地紛至沓來。在那里，我遇到了上海市上南中學(xué)劉世鏞老師帶領(lǐng)的學(xué)生天文小組，并合影留念。照片中有一位當(dāng)時才14歲的少年天文愛好者，名叫施韡。多年后，他成了一位廣受歡迎的天文普及家。中文版的《創(chuàng)世之辯》正是施韡（網(wǎng)名水兄）的譯作之一，其行文流暢，內(nèi)容準(zhǔn)確，讀來令人欣喜。借此作序之機，我祝愿他在科普事業(yè)中不斷取得更出色的成績！

（作者為天文學(xué)家，資深科普作家兼科技出版人，中國科普作家協(xié)會前副理事長。本文為《創(chuàng)世之辯：伽莫夫、霍伊爾和宇宙大爆炸》一書的推薦序，此處略有改動。） ■