第十一課 膨脹的宇宙

名作精讀

膨脹的宇宙

斯蒂芬·霍金

如果在一個清澈的、無月亮的夜晚仰望星空，能看到的最亮的星體最可能是金星、火星、木星和土星這幾顆行星，還有巨大數(shù)目的類似太陽、但離開我們遠(yuǎn)得多的恒星。

事實(shí)上，當(dāng)?shù)厍蚶@著太陽公轉(zhuǎn)時，某些固定的恒星相互之間的位置確實(shí)起了非常微小的變化——它們不是真正固定不動的。這是因?yàn)樗鼈兙嚯x我們相對靠近一些。當(dāng)?shù)厍蚶@著太陽公轉(zhuǎn)時，相對于更遠(yuǎn)處的恒星的背景，我們從不同的位置觀測它們。這是幸運(yùn)的，因?yàn)樗刮覀兡苤苯訙y量這些恒星離開我們的距離，它們離我們越近，就顯得移動得越多。

最近的恒星叫做普羅希馬半人馬座，它離我們大約4光年那么遠(yuǎn)（從它發(fā)出的光大約花4年才能到達(dá)地球），也就是大約23萬億英哩的距離。大部分其他可用肉眼看到的恒星離開我們的距離均在幾百光年之內(nèi)。與之相比，我們太陽僅僅在8光分那么遠(yuǎn)！可見的恒星散布在整個夜空，但是特別集中在一條稱為銀河的帶上。遠(yuǎn)在公元1750年，就有些天文學(xué)家建議，如果大部分可見的恒星處在一個單獨(dú)的碟狀的結(jié)構(gòu)中，則銀河的外觀可以得到解釋。碟狀結(jié)構(gòu)的一個例子，便是今天我們叫做螺旋星系的東西。只有在幾十年之后，天文學(xué)家威廉·赫歇爾爵士才非常精心地對大量的恒星的位置和距離進(jìn)行編目分類，從而證實(shí)了自己的觀念。即便如此，這個思想在本世紀(jì)初才完全被人們接受。

1924年，我們現(xiàn)代的宇宙圖象才被奠定。那是因?yàn)槊绹煳膶W(xué)家埃得溫·哈勃證明了，我們的星系不是唯一的星系。事實(shí)上，還存在許多其他的星系，在它們之間是巨大的空虛的太空。為了證明這些，他必須確定這些星系的距離。這些星系是如此之遙遠(yuǎn)，不像鄰近的恒星那樣，它們確實(shí)顯得是固定不動的。所以哈勃被迫用間接的手段去測量這些距離。眾所周知，恒星的表觀亮度決定于兩個因素：多少光被輻射出來（它的絕對星等）以及它離我們多遠(yuǎn)。對于近處的恒星，我們可以測量其表觀亮度和距離，這樣我們可以算出它的絕對亮度。相反，如果我們知道其他星系中恒星的絕對亮度，我們可用測量它們的表觀亮度的方法來算出它們的距離。哈勃注意到，當(dāng)某些類型的恒星近到足夠能被我們測量時，它們有相同的絕對光度；所以他提出，如果我們在其他星系找出這樣的恒星，我們可以假定它們有同樣的絕對光度——這樣就可計(jì)算出那個星系的距離。

如果我們能對同一星系中的許多恒星這樣做，并且計(jì)算結(jié)果總是給出相同的距離，則我們對自己的估計(jì)就會有相當(dāng)?shù)男刨嚩取?/p>

埃得溫·哈勃用上述方法算出了九個不同星系的距離?，F(xiàn)在我們知道，我們的星系只是用現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡可以看到的幾千億個星系中的一個，每個星系本身都包含有幾千億顆恒星。圖3.1所示的便是一個螺旋星系的圖，從生活在其他星系中的人來看我們的星系，想必也是類似這個樣子。我們生活在一個寬約為10萬光年并慢慢旋轉(zhuǎn)著的星系中；在它的螺旋臂上的恒星繞著它的中心公轉(zhuǎn)一圈大約花幾億年。我們的太陽只不過是一個平常的、平均大小的、黃色的恒星，它靠近在一個螺旋臂的內(nèi)邊緣。我們離開亞里士多德和托勒密的觀念肯定是相當(dāng)遙遠(yuǎn)了，那時我們認(rèn)為地球是宇宙的中心！

恒星離開我們是如此之遠(yuǎn)，以致使我們只能看到極小的光點(diǎn)，而看不到它們的大小和形狀。這樣怎么能區(qū)分不同的恒星種類呢？對于絕大多數(shù)的恒星，只有一個特征可供觀測——光的顏色。牛頓發(fā)現(xiàn)，如果太陽光通過一個稱為棱鏡的三角形狀的玻璃塊，就會被分解成像彩虹一樣的分顏色（它的光譜）。將一個望遠(yuǎn)鏡聚焦在一個單獨(dú)的恒星或星系上，人們就可類似地觀察到從這恒星或星系來的光譜線。不同的恒星具有不同的光譜，但是不同顏色的相對亮度總是剛好和一個紅熱的物體發(fā)出的光譜完全一致。（實(shí)際上，從一個不透明的灼熱的物體發(fā)出的光，有一個只依賴于它的溫度的特征光譜——熱譜。這意味著可以從恒星的光譜得知它的溫度。）并且，我們發(fā)現(xiàn)，某些非常特定的顏色在恒星光譜里找不到，這些失去的譜線可以因不同的恒星而異。既然我們知道，每一化學(xué)元素都有非常獨(dú)特的吸收光譜線族，將它們和恒星光譜中失去的譜線相比較，我們就可以準(zhǔn)確地確定恒星大氣中存在什么元素。

在20年代天文學(xué)家開始觀察其他星系中的恒星光譜時，他們發(fā)現(xiàn)了最奇異的現(xiàn)象：它們和我們的銀河系一樣具有吸收的特征線族，只是所有這些線族都向光譜的紅端移動了同樣相對的量。為了理解這個含意，我們必須先理解多普勒效應(yīng)。我們已經(jīng)知道，可見光即是電磁場的起伏或波動。光的波長（或者相鄰波峰之間的距離）極其微小，約為0.0000004至0.0000008米。

光的不同波長正是人眼看到的不同顏色，最長的波長出現(xiàn)在光譜的紅端，而最短的波長在光譜的藍(lán)端。想像在離開我們一個固定的距離處有一光源——例如恒星——以固定的波長發(fā)出光波。顯然我們接收到的波長和發(fā)射時的波長一樣（星系的引力場沒有強(qiáng)到足以對它產(chǎn)生明顯的效應(yīng)）?，F(xiàn)在假定這恒星光源開始向我們運(yùn)動。當(dāng)光源發(fā)出第二個波峰時，它離開我們更近一些，這樣兩個波峰之間的距離比恒星靜止時更小。這意味著，我們接收到的波的波長比恒星靜止時更短。相應(yīng)地，如果光源離開我們運(yùn)動，我們接收的波的波長將更長。這意味著，當(dāng)恒星離開我們而去時，它們的光譜向紅端移動（紅移）；而當(dāng)恒星趨近我們而來時，光譜則藍(lán)移。這個稱之為多普勒效應(yīng)的頻率和速度的關(guān)系是我們?nèi)粘Ｋ煜さ?，例如我們聽路上來往小汽車的聲音：?dāng)它開過來時，它的發(fā)動機(jī)的音調(diào)變高（對應(yīng)于聲波的高頻率）；當(dāng)它通過我們身邊而離開時，它的音調(diào)變低。光波或無線電波的行為與之類似。警察就是利用多普勒效應(yīng)的原理，以無線電波脈沖從車上反射回來的頻率來測量車速。

在哈勃證明了其他星系存在之后的幾年里，他花時間為它們的距離以及觀察到的光譜分類。那時候大部份人相信，這些星系的運(yùn)動相當(dāng)紊亂，所以預(yù)料會發(fā)現(xiàn)和紅移光譜一樣多的藍(lán)移光譜。但是，十分令人驚異的是，他發(fā)現(xiàn)大部份星系是紅移的——幾乎所有都遠(yuǎn)離我們而去！更驚異的是1929年哈勃發(fā)表的結(jié)果：甚至星系紅移的大小也不是雜亂無章的，而是和星系離開我們的距離成正比。換句話講，星系越遠(yuǎn)，則它離開我們運(yùn)動得越快！這表明宇宙不可能像原先人們所想像的那樣處于靜態(tài)，而實(shí)際上是在膨脹；不同星系之間的距離一直在增加著。

宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)最偉大的智慧革命之一。事后想起來，何以過去從來沒有人想到這一點(diǎn)？！牛頓或其他人應(yīng)該會意識到，靜態(tài)的宇宙在引力的影響下會很快開始收縮。然而現(xiàn)在假定宇宙正在膨脹，如果它膨脹得相當(dāng)慢，引力會使之最終停止膨脹，然后開始收縮。但是，如果它膨脹得比某一臨界速率更快，引力則永遠(yuǎn)不足夠強(qiáng)而使其膨脹停止，宇宙就永遠(yuǎn)繼續(xù)膨脹下去。這有點(diǎn)像一個人在地球表面引燃火箭上天時發(fā)生的情形，如果火箭的速度相當(dāng)慢，引力將最終使之停止并折回地面；另一方面，如果火箭具有比某一臨界值（大約每秒7英里）更高的速度，引力的強(qiáng)度不足以將其拉回，所以它將繼續(xù)永遠(yuǎn)飛離地球。19世紀(jì)、18世紀(jì)甚至17世紀(jì)晚期的任何時候，人們都可以從牛頓的引力論預(yù)言出宇宙的這個行為。然而，靜態(tài)宇宙的信念是如此之強(qiáng)，以至于一直維持到了20世紀(jì)的早期。甚至愛因斯坦于1915年發(fā)表其廣義相對論時，還是如此之肯定宇宙必須是靜態(tài)的，以使得他在其方程中不得不引進(jìn)一個所謂的宇宙常數(shù)來修正自己的理論，使靜態(tài)的宇宙成為可能。愛因斯坦引入一個新的“反引力”，這力不像其他的力那樣，不發(fā)源于任何特別的源，而是空間——時間結(jié)構(gòu)所固有的。他宣稱，空間——時間有一內(nèi)在的膨脹的趨向，這可以用來剛好去平衡宇宙間所有物質(zhì)的相互吸引，結(jié)果使宇宙成為靜態(tài)的。當(dāng)愛因斯坦和其他物理學(xué)家正在想方設(shè)法避免廣義相對論的非靜態(tài)宇宙的預(yù)言時，看來只有一個人，即俄國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家亞歷山大·弗利德曼愿意只用廣義相對論著手解釋它。

弗利德曼對于宇宙作了兩個非常簡單的假定：我們不論往哪個方向看，也不論在任何地方進(jìn)行觀察，宇宙看起來都是一樣的。弗利德曼指出，僅僅從這兩個觀念出發(fā)，我們就應(yīng)該預(yù)料宇宙不是靜態(tài)的。事實(shí)上，弗利德曼在1922年所做的預(yù)言，正是幾年之后埃得溫·哈勃所觀察到的結(jié)果。

作者簡介

斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking，1942年1月8日—），英國劍橋大學(xué)著名物理學(xué)家，是現(xiàn)代最偉大的物理學(xué)家之一。他患有肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥，全身癱瘓，不能言語。 他唯一能動的地方只有一雙眼睛和3根手指，其他部位均不能動。
霍金于1979至2009年任盧卡斯數(shù)學(xué)教授?；艚鸬闹饕芯款I(lǐng)域是宇宙論和黑洞，證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理，提出了黑洞蒸發(fā)理論和無邊界的霍金宇宙模型，在統(tǒng)一20世紀(jì)物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論——愛因斯坦創(chuàng)立的相對論和普朗克創(chuàng)立的量子力學(xué)方面走出了重要一步。

技能穩(wěn)拿

【定位、篩選信息】
如果想讀懂科技文，最重要的一點(diǎn)是要根據(jù)需要迅速定位信息，并且能將有效信息篩選出來。

如果我們想知道這個問題的答案：怎么證明我們的星系不是唯一的星系？

首先，我們要知道，這個問題的關(guān)鍵信息是“證明”“不是”“唯一”這三個詞。然后，我們需要在文章中去找這三個詞同時出現(xiàn)的段落，經(jīng)過查找，發(fā)現(xiàn)在第四自然段，第二句話：

那是因?yàn)槊绹煳膶W(xué)家埃得溫·哈勃證明了，我們的星系不是唯一的星系。

這樣，我們就定位出了這個問題的答案所在的段落（第四自然段）。然后去文中尋找“證明”的辦法。第四句話“為了證明這些，他必須確定這些星系的距離。”這就告訴我們，確定星系之間的距離可以證明我們的星系不是唯一的星系。

如果要是再沿著這個問題往下問，則是問，如何確定星系之間的距離？既然已經(jīng)確定剛才那個問題答案所在的自然段，這個問題又是上一個問題的進(jìn)一步延伸，那么咱們就要再仔細(xì)從倒數(shù)第二段中尋找。后面有一句關(guān)鍵的話：

對于近處的恒星，我們可以測量其表觀亮度和距離，這樣我們可以算出它的絕對亮度。相反，如果我們知道其他星系中恒星的絕對亮度，我們可用測量它們的表觀亮度的方法來算出它們的距離。

也就是說，我們要通過測量其他星系中恒星的表觀亮度的方法，來計(jì)算其距離。

上面這個定位與篩選信息的方法，我們?yōu)樗鹈麨殛P(guān)鍵詞定位法，你學(xué)會了嗎？請回答下面問題：

多普勒效應(yīng)是什么？為什么它能證明宇宙在膨脹？

名篇穩(wěn)拿

一名物理學(xué)家的教育歷程

加來道雄

童年的兩件趣事極大地豐富了我對世界的理解力，并且引導(dǎo)我走上成為一個理論物理學(xué)家的歷程。

記得那時我的父母不時帶我去舊金山游覽著名的日本茶園。我蹲在那里的一個小池邊，為慢慢暢游在水底睡蓮之中五彩斑斕的鯉魚所陶醉。這是我最快樂的童年記憶之一。

在那靜靜的時刻，我充滿了無限的遐想。我常常給自己提一些只有小孩才問的傻乎乎的問題，比如水池中鯉魚怎樣觀察它們周圍的世界。我想，它們的世界一定奇妙無比！

鯉魚們的一生就在這淺淺的水池中度過。它們相信它們的“宇宙”就有陰暗的池水和睡蓮構(gòu)成。它們大部分時間在池底漫游，因此它們只模糊地意識到在水面之上存在有另一個外部世界。我的世界的本質(zhì)超過了它們的理解能力。我喜歡坐在距離利于僅僅幾十厘米的地方，然而，我們之間卻如距深淵。鯉魚和我生活在兩個截然不同的宇宙之中，從來不進(jìn)入對方的世界，我們之間被水面這一薄薄的“柵欄”分隔開來。

我曾想：在水底的魚群中可能有一些鯉魚“科學(xué)家”。我想這個鯉魚“科學(xué)家”會對那些提出在睡蓮之外還存在有另外一個平行世界的魚冷嘲熱諷。他們認(rèn)為，唯一真實(shí)存在的事物就是魚兒們看得見摸得著的。水池就是一切。水池之外看不見的世界沒有科學(xué)意義。

有一次，我遇到了一場暴雨。我注意到成千上萬的笑語地轟擊在池水的表面。池水變得混亂，誰中的睡蓮在洶涌不息的水波沖刷下?lián)u擺不定。在躲避風(fēng)雨之時，我想弄清楚周圍發(fā)生的一切將會以怎樣的形式呈現(xiàn)在鯉魚們的眼中。在它們看來，睡蓮似乎是自己在運(yùn)動，沒有任何東西沖刷它們。因?yàn)榫拖裎覀兛床灰娢覀冎車目諝夂涂臻g一樣，鯉魚們也看不見它們賴以生存的水，它們?yōu)樗徸约耗軌蜻\(yùn)動而困惑不解。

我想，鯉魚“科學(xué)家們”將會聰明地杜撰某種虛構(gòu)的東西——它被稱為“力”，來掩蓋自己的無知。由于不能理解在看不見的水面上存在的水波，它們將得出這樣一個結(jié)論：睡蓮之所以能夠不被觸摸而運(yùn)動，是因?yàn)橛幸环N看不見的神秘力在對它起作用。它們可能給這種錯覺起一個高深莫測的名稱（如超距作用，或沒有任何接觸睡蓮即會運(yùn)動的能力）。

我曾想，如果在池水中抓出一個鯉魚“科學(xué)家”，事情將會怎么樣呢？放回池水之前，它可能隨著我的查看而狂亂掙扎。那么別的鯉魚又將怎樣看待這件事呢？對于它們而言，這確實(shí)是一件可怖的事情。它們第一次意識到有一位鯉魚“科學(xué)家”從它們的宇宙中消失了。就那么簡簡單單，沒有留下任何蹤跡。不管在它們的宇宙中怎么尋找，就是沒有這條丟失的鯉魚的蹤影。然而，就那么幾秒鐘，當(dāng)我把它放回池水之后，這位鯉魚“科學(xué)家”便突然冒了出來。對于別的鯉魚而言，這真是一個奇跡。

待神智鎮(zhèn)定之后，這位鯉魚“科學(xué)家”就會講述一個真正令它們驚詫不已的傳奇故事。它說：“突然之間，不知怎的我就被拉出了咱們的宇宙（池水），投進(jìn)了一個冥冥世界，那里有令人目眩的強(qiáng)光和我從未見過的奇形怪狀的物體。最奇怪的是那個抓住我的生物竟然一點(diǎn)也不像魚。更使我震驚的是，無論如何也看不到它的鰭，但是沒有鰭它還是能夠運(yùn)動。我感覺到熟習(xí)的自然規(guī)律不再適合于這個冥冥世界。隨后，我發(fā)現(xiàn)自己突然又被扔回了咱們的世界?！保ó?dāng)然，這個到宇宙之外一游的故事對于鯉魚是怪誕的，大多數(shù)魚都認(rèn)為這完全是胡說八道。）

我常想，我們就像自鳴得意地在池中游動的鯉魚。我們的一生就在我們自己的“池子”里度過，以為我們的宇宙只包含那些看得見摸得著的事物。就像鯉魚一樣，我們認(rèn)為宇宙之中只包含有熟習(xí)可見的東西。我們自以為是地拒絕承認(rèn)就在我們的宇宙跟前存在有別的平行宇宙或多維空間，而這些都超出了我們的理解力。如果我們的科學(xué)家發(fā)明像力這樣一些概念，那僅僅是因?yàn)樗麄儾荒苡醚垡娧莩龀錆M于我們周圍空間的不可看見的各種振動。一些科學(xué)家鄙視更高維數(shù)世界的說法，是因?yàn)樗麄儾荒茉趯?shí)驗(yàn)室里便利地驗(yàn)證它。

（我們宇宙或許是無數(shù)個平行宇宙中的一個。每一個宇宙通過無窮多的蛀洞——連通兩個是空域的隧道——跟其他宇宙相連。在這些蛀洞之間旅行是可能的，但可能性又微乎其微。）

此后，我一直對存在高維世界的可能極感興趣。像許多孩子一樣，我貪婪地閱讀這樣一類歷險故事，其中講述的是時間旅行者進(jìn)入別的多維空間，探索我們看不見的平行宇宙，在那里能很容易使通常的物理定律不再起作用。我長大后想知道，是否在百慕大三角洲神秘失蹤的船只進(jìn)入了一個空間漏洞，我對阿西莫夫的《基地》系列驚嘆不已，書中超維空間旅行的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一個銀河帝國的興起。

童年時的第二件事也給我留下深刻的印象。我八歲時曾聽過一個故事，此后它一直留在我的腦海里。記得我的中學(xué)老師給班里講了一個已故偉大科學(xué)家的故事。他們及其崇敬地講到他，稱他是整個人類歷史上最偉大的科學(xué)家。他們說很少有人能夠理解他的思想，但是他的發(fā)現(xiàn)卻改變了整個世界和我們周圍的一切。我不理解他們想告訴我們的許多東西，但是最使我對此人感興趣的是他未能完成自己的偉大發(fā)現(xiàn)就撒手人寰。他們說他多年潛心于這個理論，但是他死之后，他的未完成的論文仍然擺放在他自己的辦公桌上。

我被這個故事迷住了。對于一個孩子，這是很神秘的。他未完成的工作是什么？他桌上論文的內(nèi)容是什么？什么問題可能會如此難以解決而又非常重要，值得如此偉大的科學(xué)家把他的有生之年花費(fèi)在這種研究之中？由于好奇，我就決定學(xué)習(xí)我能學(xué)到的關(guān)于愛因斯坦的一切以及他未完成的理論。我記得，我花了好多時間靜靜閱讀我能找到的關(guān)于這個偉人和他的理論的每一本書。這種記憶到現(xiàn)在仍然溫暖如春。我讀完當(dāng)?shù)貓D書館的書之后，就開始在全市搜尋圖書館和書店，急切地查找有關(guān)線索。不久我就知道這個故事比任何神秘謀殺故事更加激動人心，也比我想象的任何事情都重要。我決定要對這一秘密刨根究底，縱然因此而必須成為一名理論物理學(xué)家也在所不辭。

作者簡介

加來道雄（Michio Kaku），美籍日裔人，美國著名物理學(xué)家、科學(xué)暢銷書作者，美國著名高等學(xué)府加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）物理學(xué)博士 、紐約城市大學(xué)研究生中心的理論物理學(xué)教授，超弦理論的專家。

【定位篩選信息】作者從鯉魚的事件中得出的道理是什么？最好用原文回答。

披沙揀金

字詞

• 清澈
• 螺旋
• 奠定
• 輻射
• 信賴
• 棱鏡
• 起伏
• 多普勒效應(yīng)
• 頻率
• 紊亂
• 膨脹
• 五彩斑斕
• 柵欄
• 高深莫測
• 令人目眩
• 自鳴得意
• 在所不辭