发现宇宙

作者简介

著者简介 约翰·D. 巴罗（John D. Barrow），宇宙学家，英国皇家学会院士。巴罗是英国剑桥大学应用数学与理论物理学系教授，研究领域涉及宇宙学、天体物理、引力理论、天体粒子物理等，发表的学术论文已超过400篇。1986年，他和弗兰克·梯普勒合著的《人择宇宙原理》（The Anthropic Cosmological Principle）成为该主题的经典著作。 巴罗不仅是一位科学家，还是一位优秀的科学传播者。他经常参与公众演讲，并把对科学的理解以及哲学的思考留在了自己的作品中。自1999年起，巴罗就是剑桥大学千禧年数学计划（MMP）的主任。2006年，他领导的MMP获得了女王周年奖。 约翰·D. 巴罗曾被皇家学会授予法拉第奖，也曾荣获洛克天文学奖和皇家格拉斯哥哲学学会开尔文奖章。他创作的舞台剧《无穷大》（Infinities）获得了意大利Premi Ubu戏剧奖。 译者简介 丁家琦，毕业于北京大学物理学院，现从事科学传播工作。

内容简介

正文赏读 爱因斯坦的洞察力 宇宙需要被重新发明一次，而爱因斯坦的理论就像灯光一样照亮了其理论的发展道路。他描绘出了一个崭新的引力理论的轮廓，其中宇宙中所有的物质、所有的粒子、所有的能量都影响着宇宙自身的结构：时空在质能的作用下发生弯曲。 ——让·艾森施泰特（Jean Eisenstaedt） 在1931年的美国，爱因斯坦在著名喜剧大师查理·卓别林的陪同下出席了后者主演的无声电影《城市之光》（City Lights）的首映。来自截然不同的两个领域的名人都受到了观众的热烈欢迎，据说卓别林当时对爱因斯坦说了这样一句有名的话：“他们为我欢呼是因为我的电影他们都能看懂，为你欢呼则是因为你的理论没人能看懂。” 爱因斯坦的广义相对论已经成了艰涩难懂的代名词和人类智力的终极挑战。爱因斯坦想要创造的符合哥白尼原理的新运动定律和引力定律需要极为复杂的数学语言，甚至他自己——开始都曾被难倒。爱因斯坦坦言自己的数学水平没有达到自己的需求，他出众的才华主要来自物理上的理解力，而非数学技巧。不过，如果他的数学水平不能胜任，他总能找到能胜任的人：他曾经的学生和朋友马塞尔·格罗斯曼（Marcel Grossmann）就是位才华出众的数学家，熟悉现代数学各种最抽象的分支。格罗斯曼也非常认可爱因斯坦敏锐的物理直觉，他认为爱因斯坦能够看穿大自然最深处的奥秘，并在各个方面都对他帮助良多。1912年，爱因斯坦拒绝了很多更知名大学提供的职位，选择在苏黎世任教，之所以做出这样的选择，就是为了能和在这里任纯数学教授的格罗斯曼继续密切合作。 格罗斯曼为爱因斯坦引入了新的数学语言，以表达他对引力如何影响宇宙形状的观点。他告诉爱因斯坦，要想写出对所有人都“一视同仁”的、“民主”的自然定律，可以使用一种深奥难懂的纯数学分支—张量运算（tensor calculus），它可以保证爱因斯坦想要的普适性。格罗斯曼也为爱因斯坦介绍了非欧几何的最新进展—早几年前史瓦西开始探讨的关于弯曲表面的几何学，但为什么爱因斯坦需要了解这些奇形怪状的几何学呢？ 牛顿力学中的空间就像一个固定着的大舞台，行星、彗星等天体就在这个舞台上运动。天体可以来来去去，但空间本身是固定的，不管内部的物质如何运动，空间本身不会变化，也不能变化。然而，爱因斯坦的空间比这要灵活得多，它会因受到物质和运动的作用而弯曲变形，就像一片橡胶皮一样。在质量极大的地方，空间会发生强烈的弯曲，而在离大质量物体越远的地方，空间就会相应地变得平直。当一个物体从一点运动到另一点时，它会在弯曲的空间中选择最短的路径——也就是最“直”的线。在大质量物体周围，空间会形成一个“坑”，如果另一个物体经过附近，最短路径就会倾向于让它掉进“坑”内。在物体经过以后，空间本身也会因为物体的影响而变形，物体刚刚走过的轨迹也随之改变。这样，爱因斯坦就把引力的作用简单地归结为空间的弯曲，也就是说，“力”这个概念已经完全没有必要存在了，只有弯曲的空间。 看到这里你或许会问，这不就是把牛顿的“力”的概念换了种说法吗？但爱因斯坦的理论还不止这些。在牛顿的固定空间中，如果你让一个球从时空的“舞台”上滚过去，它不会影响到在舞台前面看着这一切的你，但在爱因斯坦的宇宙中就完全不一样了：如果空间就像一块橡胶皮一样可以变形，那从上面滚过去的球也会让它弯曲变形，如果此时你站在离球有一定距离的地方，你也会被拽向同样的方向——这就是爱因斯坦与牛顿空间观的真正区别。 为了把这样的想法变成一个新的引力理论，爱因斯坦需要找到新的引力方程，以告诉我们空间的形状和时间的流逝具体是如何随着运动或静止的质量和能量改变的，在此情况下又如何保证能量守恒。美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）曾经把爱因斯坦的广义相对论浓缩成简明扼要的两句话：“物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动。” 爱因斯坦利用格罗斯曼教他的张量运算，把他的方程以数学形式表达了出来。这些方程能够保证对所有运动状态下的观察者都同样成立——无论观察者的运动状态如何，是旋转、加速、上蹿下跳还是螺旋前进。无论观察者的实验室怎么运动，他们推导出来的引力定律都是完全一样的。 爱因斯坦的方程可谓优美：它本身是一个用来规定曲面的几何形状如何变化的纯数学定理，却神奇地与满足能量、动量守恒的物理学定律相等价。而更神奇的是，当你考虑物体质量较小、运动速度也较慢（相对光速而言）的情况时，爱因斯坦的方程就与牛顿引力定律完全吻合了。 最畅销的宇宙 理智的人以不受重要的事情影响，并对不重要的事情感兴趣为荣。他认为这是一种生活观，也可以让事物“保持平衡”…… ——西莉亚·格林（Celia Green） 1996年夏天，一场大型宇宙学会议在位于美国新泽西州的 普林斯顿大学召开，这也是普林斯顿大学建校250周年的庆典活动之一。当时天气闷热潮湿得可怕，还有雷暴雨，参会者们住的老旧学生宿舍，空调几乎没什么制冷效果，到礼堂听报告的时候才让人好受些。这场大会的一项新奇之处在于，它不仅仅安排了常规的学术报告，还安排了两位演讲者甚至三位演讲者同台演讲，就像政治候选人一样，劝说你接受某一个宇宙模型，而非对手的。在报告中“推销”完自己的理论之后，演讲者会进入一个关键的互相辩论环节，观众也能加入。 总的来说，当时的宇宙学家对暴胀宇宙的想法还是比较满意的，他们并没有过多地考虑混沌宇宙与永恒暴胀宇宙，而多元宇宙甚至都没有进入他们的词汇表，虽然多元宇宙的概念经由人择理论的讨论已经为大家熟悉。这场会议更多地围绕一些细节问题，包括宇宙膨胀速率、宇宙年龄及星系形成是否及时的详细观测，还有宇宙物质与能量非均匀的分布模式是否与早期宇宙暴胀理论中的不规则处源头所符合。 而每位做报告的宇宙学家要做的，就是说服大家认为他们自己关于宇宙物质和膨胀类型的理论能最好地符合所有的观测结果。跑在最前面的是迈克尔·特纳（Michael Turner）的模型，该模型认为，宇宙膨胀速率接近临界速率—正如暴胀理论所预言的，但他的宇宙拥有一个小小的正的宇宙学常数，也就是那个爱因斯坦发明了然后又抛弃的东西，正是这个正的宇宙学常数产生了排斥的引力效应，让宇宙加速膨胀至今。特纳指出，他的理论比其他理论更成功并不是意外，因为它的绝大部分与和它竞争的其他理论都一样，只是多加了一点点东西（宇宙学常数），而正是这个宇宙学常数让这一模型与观测结果符合得更好。 这个“获胜”的模型被称为“Λ—CDM”模型，Λ念作拉姆达，表示的是宇宙学常数，CDM是“cold dark matter”（冷暗物质）的缩写。冷暗物质是所有宇宙模型中都必须包含的一种物质，因为宇宙中所有发光的物质总数所产生的引力只有星系与星系团引力强度的十分之一，因此，为了解释这个矛盾，宇宙就得存在很多不发光的暗物质，它们必须以一种特殊的方式存在，只参与引力相互作用或是弱相互作用，否则它们就会抑制氘核的生成，那么宇宙诞生三分钟时氘核的数量就与我们的观测结果不符了。这意味着，暗物质最有可能是一种中微子，或者一种类似中微子的新类型粒子，可以感知到弱相互作用。而已知的中微子数量不满足这个要求，它们太轻了，而且1985年有物理学家首次用大型计算机模拟宇宙膨胀时发现，中微子聚集成团的模式与实际情况并不符合。 为了满足所有这些要求，这种类似中微子的粒子必须比质子还重得多，因此移动速度也会相应很慢，所以又加了“冷”这个词来修饰—因为温度也就是气体中分子运动的平均速度。在计算机模拟中，它们缓慢的速度产生了一种独特的小尺度星系，与观测结果符合得很好。Λ—CDM模型也就是在冷暗物质的基础上再加上了一个额外的宇宙学常数Λ，它在所有方面都领先于其他理论，但没有人为它的成功感到激动，甚至该理论的提出者也一样：因为这个理论实在太人为、太不自然了，而且说老实话，太丑陋了。 这一最符合观测事实的宇宙很像勒梅特在60年前提出的宇宙模型。同此前的爱因斯坦一样，当时的宇宙学家已经对宇宙学常数失去了兴趣。为了在Λ—CDM宇宙中起到应有的作用，它需要取一个小到令人难以置信的值（10—120），这个值是如此之小，以至于很多物理学家相信它真正的值其实是0，只是让它等于0的深层物理学原理还没有被发现，或许到将来的某一天我们就会发现这样一条新的对称性原理，而在那之前我们只能忽视它，这是粒子物理学家中很常见的观点。不过，天文学家总是有点怀疑他们的数据出了问题。宇宙学常数Λ所赖以依托存在的东西很可能最终会消失，或是比我们预想的更不确定。哪怕是认真对待Λ—CDM 模型的人也对此相当谨慎，因为支持它的证据并不直接。我们如今并不能直接观测到宇宙膨胀的加速度，而只能在对宇宙过去行为的观测中捕获宇宙加速膨胀对其的影响。 但1998年，情况发生了急剧的变化。两个由世界级天文学家带领的大型研究组分别独立发现了宇宙如今正在加速膨胀的直接证据。哈佛大学的亚当·里斯（Adam Riess）所带领的高红移超新星搜寻项目组和索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）在加利福尼亚大学伯克利分校劳伦斯伯克利实验室所带领的超新星宇宙学项目组都发现了惊人的新证据，证明宇宙膨胀在几十亿年之前刚刚开始加速。为了追踪很远很远处膨胀速度的增加，以判断宇宙的膨胀速度是不是超过了哈勃定律给出的距离的正比，你就需要把哈勃定律延伸到比之前远得多的范围。如果很远处的膨胀速度超过了哈勃定律规定的值，就意味着宇宙膨胀加速了。 使用光的红移可以很精确地测量光源远离的速度，问题就在于，如何知道我们正在测速的光源距离我们到底有多远。如果某个光源的亮度处于平均水平，可能是它本身很暗但离我们很近，也可能是它本身很亮但离我们特别远。理想情况下，能在宇宙中找到一系列标准的“100瓦灯泡”是最好的，你可以通过望远镜观察每个光源上这样100瓦的“标签”，就知道它们自身有多亮了。把这个亮度与表观亮度相比较，就能推导出每个“灯泡”离我们有多远了。可惜，在我们的宇宙中并不存在这样贴了标签的灯泡，不过，我们可以找到这样一种天体，它们自身的亮度可以通过某些物理性质，如变化速率等被测量出来（就像标准灯泡一样），这类参考天体被天文学家称为“标准烛光”（standard candle）。 这两个团队做出的新观测结果，利用了地基望远镜和哈勃空间望远镜可以从很远很远的距离看到某一种特定类型的爆 炸恒星（被称为Ia型超新星）这一点。Ia型超新星是标准烛光很好的候选者，因为天文学家认为它起源于非常特殊的宇宙学过程，是宇宙中最明亮的物体之一。 质量小于1.4倍太阳质量的恒星用尽自身的核燃料，并在自身引力作用下坍缩到与地球差不多的大小，把原子中的电子都挤到了一起，凭借电子之间的排斥力把整个星球的形状撑起来，这种稳定的状态被称为“白矮星”（white dwarf），这类“恒星的尸体”在宇宙中不计其数。将来的某一天，我们的太阳在垂死挣扎之后也会变成一个白矮星。 如果一颗恒星更重一些，质量在1.4个太阳质量到3个太阳质量之间，那么电子的反压力就不足以抵抗原子的引力坍缩了，电子会被压到原子核的质子中，与质子结合形成中子，原子核中也就只剩中子了。中子也会抵抗被挤压到一起的力，只要原本恒星的质量不超过3个太阳质量，中子之间的抵抗力就能阻止引力探索，产生一个稳定的中子星。中子星直径只有几千米，密度是铁的100万亿倍。和白矮星一样，中子星在宇宙中也很常见，有些中子星会非常快速地旋转，像灯塔一样周期性地向我们发射辐射，我们称之为脉冲星。但如果死去的恒星比太阳质量的3倍还大，那就没有任何已知的自然力能够阻止它的引力坍缩了。最终，如此大质量的垂死恒星会落入一个很小很小的区域，连光都没办法逃出来。这个收缩过程对外面的世界来说是不可见的：一个黑洞就此形成。 宇宙中大约一半的恒星都是两个两个成对绕着它们共同的引力中心运动。如果其中一个恒星死亡形成一个白矮星，它会不断吸积它的恒星伙伴表层的物质，最终，在这个同类相食过程之后，白矮星的质量会大于1.4个太阳质量，电子的压力不足以支撑引力坍缩，于是白矮星就发生了一个急剧的热核爆 炸，这类爆 炸每当在白矮星的质量超过1.4个太阳质量的时候都会发生，而不管它发生在何时何地，爆 炸的最高亮度总是差不多的，大概是太阳亮度的10亿倍——也就是说，一个恒星的亮度就几乎抵得上一整个星系了。在爆 炸之后的几个月内，超新星的光和颜色以一种特别的方式暗淡下去，亮度随时间变化的曲线，即“光变曲线”在头几天到几周可以通过镍元素的放射性衰变来测定，之后可以通过钴元素的放射性衰变来测定。通过研究亮度峰值与亮度下降的速率，两个研究超新星的团队比较了不同的超新星，并计算了它们与我们的相对距离。 哈佛和伯克利的研究组都使用了这一新工具来测量星系与我们的距离，并拓展了对哈勃定律的测量。他们首先把夜空划分成几百个部分，在新月（没有月亮，此时夜空最暗）的时候，利用强大的地基望远镜监测不同的部分。三周之后，他们回来观察同一片天空，看看有没有什么恒星突然变亮成了超新星。他们发现了大约25个超新星正在变亮，于是研究组使用地基和空间望远镜跟踪了它们的亮度变化，看着它亮度到达顶峰然后再掉回爆发之前的亮度，同时监测其发光颜色的变化。他们发现，这些超新星光变曲线的形状与旁边观察到的同类超新星类似，这让观测者更加确信，他们在接近可见宇宙边缘处发现的这些天体，本质上都属于同一个类型，而它们在我们眼中相对的亮暗则完全取决于它们与我们的距离。两个研究组把所有的数据放到一起研究以后，不约而同地得出了同一据哈勃定律的形式，宇宙膨胀速度，遥远的超新星的移动速度与距离的关系是个向上弯曲的曲线，也就是说，宇宙在加速膨胀。这一发现首先在1998年1月被公开，随后就引起了天文学界的兴趣，直到现在。随着天文学观测数据的逐渐积累，天文学家仔细研究了两个研究组的数据集和分析技术，并认真检验了关于标准烛光以及超新星的光在发出之后、到达我们望远镜之前所经过的宇宙等方面的假设。 ？将“人择”原理注入宇宙学研究的特立独行的物理学家，以生动又不失严谨的文笔，以充满想象力、神秘感和故事感的叙述，串联起宇宙学中魅力各异的关键人物和知识要点 ？没有大量堆砌公式，没有硬邦邦地罗列枯燥教条，“发现宇宙”背后的科研故事，让读者进一步了解科学家真实的思维动态和论证方式 ？流行科幻作品中的场景设定，很多都可以从本书中找到理论来源，本书是对科学认知和科幻想象力的双重提升