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宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第14部分
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太阳系中看来很正常，并不代表它们不会
图5。6 爱因斯坦和哥德尔在普林斯顿
在整个宇宙的尺度上以奇怪的方式纠缠在一起。尽管哥德尔的宇宙并不像我们的宇宙那样在膨胀，但其表现出来的时间旅行的特性也有可能在其他的、像我们宇宙一样膨胀的旋转宇宙中出现。
起初，一些著名物理学家质疑哥德尔的宇宙允许时间旅行，但实际上他们是把这些时间旅行的历史的特性理解错了，最终哥德尔的推导被证明是正确的。在哥德尔的一些笔记中，他好像觉得用时间循环来证明永生的可能性是件相当有趣的事情——有一次，一位同事发现他在黑板上倒着写字，表演时间旅行。不巧的是，要想在哥德尔的宇宙中进行时间旅行，就必须接近光速，并且要求物质以一种不同寻常的方式分布其中。对太空漫游者来说，这不是个靠谱的提议。我们还得注意的是，哥德尔的宇宙并不能证明电影《回到未来》的情节可以实现。你不可能改变历史。就像诗人萨穆埃尔·巴特勒（Samuel Butler，1613～1680）所说的，即使是上帝也无法改变历史——只有历史学家才做得到。
假设我背会了莎士比亚的悲剧《麦克白》，穿越历史回到过去，见到了年轻的莎士比亚，他那时还没开始写剧本。我把《麦克白》的原文和情节给他详细地讲述一遍。莎士比亚记下了每一个字，把它写了出来，然后出版了《麦克白》。那么《麦克白》到底是怎么来的？我从莎士比亚那儿学来，而他又从我这儿学来。这其中没有开端，它只是存在着。
关于“如果我杀死了祖母”的逻辑悖论有各种各样的版本，关心时间旅行问题的哲学家把它们归纳为“祖母悖论”。＇22＇这种悖论推翻了各种时光旅行的假说。＇23＇自从1895年赫伯特·乔治·威尔斯（1866～1946）的经典科幻小说《时间机器》首次提出这个想法以来，时间旅行就成为了科幻小说的重要题材。
我们该不该承认，这些“改变历史”的例子说明时间旅行的想法存在某种根本缺陷？不。改变历史的想法中确实有一些自相矛盾的地方。历史就是过去的事。你不可能既改变了历史，又保留你现在的经历。不可能有两个历史。如果你能回到过去，设法阻止了自己的出生，那么就不可能有机会回到过去，阻止自己的出生。
通常我们认为时间的流逝像一条直线。在时间旅行之中，这条线闭合成一个圆（图 5。7）。想象一条直线上，有人排队走过。谁在前，谁在后是很显然的事情。这就像线性的时间：你总可以毫不费力地分清一件事发生在过去，还是在将来。
现在，我们假设这条线上的人们绕成了一个圆。从局部看，有的人在前，有的人在后，但是总体上看，在整个圆上根本分不清“前面”和“后面”——每个人都既在其他人的前面，又在其他人的后面。所以就不能说谁在谁的前面，谁在谁的后面了，而应该说前后都在。＇24＇
图5。7 路人沿着直线和圆一个接一个地排列。对于直线上的人来说，他要么在某个人的前面，要么在某个人的后面。对于圆上的人来说，他既在某个人的前面，又在某个人的后面
并且时间旅行也是这种情况，其中并没有绝对的过去与未来。循环的时间里分布着一系列逻辑自洽的事件。当下的就是当下，曾经的就是曾经。你可以成为过去的一部分，但你无法改变过去。如果你活得足够长，你会一遍又一遍地经历相同的事情，循环往复。
这里有一个自洽的时间旅行的历史的例子。想象一下，你回到过去，准备好要朝婴儿时的自己开枪。你决心要在宇宙中创造出一个悖论。你瞄准了你母亲怀抱中的自己。当你正要扣动扳机时，由于婴儿时期的自己从母亲的怀中摔了下来，你肩膀上形成的旧伤突然让你的胳膊发出一阵痉挛，结果导致你射偏了。然而，枪声足以吓到你的母亲，把小宝宝摔落在地上，摔伤了肩膀。历史自洽了，宇宙安全了，历史学家们放心了。
指引哥德尔发现旋转宇宙模型的是他的一个信念，他想证明时间的流逝并不是客观的：关于时间并没有绝对的标准。他的宇宙很古怪，因为从其中的每一点看，宇宙都是一样的（只有匀速转动，没有膨胀），但是没有额外的标准可用以衡量旋转的速率（因为他理论中的宇宙只有一个，不存在“宇宙外部”）。哥德尔小心地计算出，进行循环式时间旅行需要的速度大小，并花了许多时间用来收集天空中星系分布的数据，因为他相信宇宙在旋转。唉，可惜我们的宇宙不是哥德尔的宇宙。宇宙正在膨胀，如果它开始旋转的话，它的膨胀速度就会变得特别慢。这很容易验证，因为微波背景辐射从四面八方传来，其密度会随不同的方向而变化，幅度不超过十万分之一。＇25＇就像地球自转会导致形状变扁，宇宙的旋转也会扭曲微波背景辐射的温度谱形状，使得它沿着自转轴的方向最热，垂直于自转轴的方向最冷。
虽然哥德尔的发现实际上并不能描述我们的膨胀宇宙，但它给我们带来了一些期待，爱因斯坦的方程组中可能还隐藏了更多类似的奇妙事物。尽管局部性质完全正常，宇宙还是会有一些奇特的总体性质。哥德尔的宇宙表明，宇宙的旋转以一种极端的方式扭曲了空间，以至于把时间都闭合了。哥德尔证明，这样的宇宙满足爱因斯坦场方程，但不满足牛顿引力。
遗憾的是，后来哥德尔就再也没有发表宇宙学的研究工作了。他的注意力转向了逻辑学和哲学中最最艰涩的问题。宇宙学家们花了大量时间，想要了解他是如何找到这个解的，但哥德尔没有留下任何线索。真是个科学怪人。
第6章
稳态宇宙理论对决大爆炸理论
一旦有人从太空中拍摄到了地球的照片，我们就将在情感上攀上一个新的境界……一旦地球在宇宙中的孤立位置广为人知，那么无论是什么国籍、什么信仰的人，都会获得一个强有力的新观念，它和历史上的任何观念相比都毫不逊色。而且依我看，不远的未来的这种发展可能会带来益处，因为它必然会越来越使国家间的纷争显得徒劳无益。或许，新的宇宙学正是会以这种方式对整个社会的组织结构造成影响……在一位翱翔于太阳系的旅行者看来，地球的全景要比其他行星波澜壮阔得多。
——弗雷德·霍伊尔＇1＇
亘古不变的宇宙
作为一个科学家，我完全不相信宇宙开始于大爆炸的说法。
——阿瑟·爱丁顿＇2＇
1948年，人类世界开始从历史上最具破坏力的战争中逐渐恢复。在和平时期，许多科学家重新拾起了从前的工作，而另一些科学家则投入了军事技术的研究，如雷达和核物理，当然不是为了战争，而是纯粹为了科学的目的。战争时期建立起来的亲密友谊和密切合作，往往为日后的科学研究埋下了种子。现代宇宙学中三个响当当的名字就是一例：赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi，1919～2005）、弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle，1915～2001）和托马斯·戈尔德（Thomas Gold， 1920～2004）。邦迪和戈尔德都出生在维也纳，经过不同的历程后又都进入剑桥大学继续深造。邦迪在学生时期就表现出了超常的悟性，早在1936年的时候，就有人把他介绍给了爱丁顿，当时这位杰出的科学家正在奥地利首都访问。这个16岁的男孩给爱丁顿留下了深刻的印象，于是爱丁顿就帮他申请去剑桥的三一学院留学。戈尔德并不像邦迪那样从小就野心勃勃，要在学术上大展宏图，而是在父亲的坚持下，才于1937年考上了剑桥，学习工程学。战争爆发以后，由于国籍是敌国的原因，他们俩都被暂时关进了贝里圣埃德的军事基地，然后又在魁北克关了15个月，他们就是在那儿认识的。1942年，他们被放回了英国，戈尔德加入了海军部的雷达研究小组。这个小组由霍伊尔领导，基地设在苏里市的卫特里。在那一阶段的军事研究中，戈尔德做出了一些重大成就，例如他发明了战船登陆的雷达导航系统，在诺曼底登陆时派上了用场，又发现了德国的 U型潜艇不用上浮，就可以用一根管子在水下获取空气。
霍伊尔在英国走的是一条传统的教育之路，他从宾格利文法学校毕业后进入剑桥，在那里，这个优秀的毕业生不情愿地成为了一名研究生，而他的导师也同样地不情愿，因为这位导师就是寡言少语的保罗·狄拉克。霍伊尔称他们俩是天生一对，一个是不想要导师的学生，一个是不想要学生的导师。一开始，霍伊尔突击学习了核物理学和量子力学，但后来他的兴趣又转移到了天体物理学的新课题。他相信了朋友瑞·利特列顿（Ray Lyttleton）的话，天体物理学里充满了令人着迷的未知难题，也缺少像狄拉克那样的天才人物。
邦迪、戈尔德、霍伊尔在结束战时工作后都回到了剑桥。邦迪和霍伊尔都研究天文学，在天文学界已经小有名气。戈尔德研究的是完全不同的东西，他成了一名生物物理学家，研究人类的听觉，并把他在霍伊尔小组研究信号时的经验运用到了新的工作中。他使用了一种特殊的、不借助数学的方法，这让行内的专家大惑不解。尽管这项成果＇3＇让戈尔德在剑桥大学争取到了一个职位，但在当时的医学界并没有掀起大风大浪。直到20世纪70年代，人们才发现耳蜗内的一种反馈机制确实能产生额外的声音共振①，戈尔德的预言验证了。
① 戈尔德发现，考虑了内耳中的液体产生的阻尼之后，理论上预言的耳蜗共振强度与实际的不符。因此他假设，人体内有一种反馈机制能够抵消这种阻尼的影响。
——译者注
从那时起，邦迪、戈尔德和霍伊尔开始关注宇宙学的进展。邦迪对广义相对论产生了兴趣，并很快发现了不均匀的宇宙模型，这是托尔曼早在20世纪30年代就已经发现了的。但是当三人调研了相关文献，并且在吃饭和喝茶的时候进行了大量讨论以后，他们都觉得勒梅特膨胀演化的宇宙模型不能令人满意，尽管这个模型曾让整个天文学界大为赞叹。勒梅特的宇宙从过去某个时刻开始膨胀，持续不断地演变，并注定会变成一片荒芜的不毛之地，这让他们非常沮丧。
顺着爱因斯坦的思路，他们也假设宇宙从大体上看是均匀的，但他们不相信宇宙的过去和现在有什么不同，也不相信将来会有什么不同。为此，他们提出了一个非常新颖的宇宙模型：宇宙从古至今、从头到尾都是一样的。米尔尼把爱因斯坦关于宇宙的物质均匀分布的假设叫做宇宙学原理。而宇宙从古至今都是一个模样是一个更强的限定，邦迪、古尔德和霍伊尔把它称为完全宇宙学原理。
他们提出的这种原理，并不是说宇宙是静止的，而是说宇宙时刻处于稳态。他们知道，天文学观测表明宇宙在膨胀，因此不可能处于静止状态。但这并不意味着宇宙不可能永远都一样。设想一条大河稳稳地流过，如果你盯着河面上的一点看，就会发现大体上没有什么变化。“宇宙也可以这样吗？”他们这样问自己。
他们希望无论何时，宇宙从平均上看都是一样的。局部上可以存在一些小变化，不断有恒星和行星在形成，然而宇宙所有的总体性质（膨胀的速率、星系和恒星形成的速率、物质的密度、辐射物质的温度）平均而言，在任何时刻都是不变的。这与膨胀宇宙的标准模型迥然不同。在这些标准模型中，宇宙过去的物质密度和温度都非常高，随着宇宙年龄变大，膨胀的速率也逐渐下降，最终会走向一个冰冷的、没有生命的未来（被误称做“热寂”）或一个灾难性的“大塌缩”。在弗里德曼和勒梅特的宇宙模型中，宇宙的过去和未来有着天壤之别。
为了能够严格地满足完全宇宙学原理，1948年，邦迪、戈尔德和霍伊尔（图6。1）提出了一个激进的新想法：如果要让宇宙膨胀，又要始终保持宇宙的物质密度不变的话，唯一的办法就是要有新的物质不断冒出来，这样才能抵消宇宙膨胀对物质密度的稀释作用。
这个想法听起来就像天方夜谭，但他们辩解道，相比其他宇宙学模型提出的，所有的物质奇迹般地在一瞬间同时冒出来的想法，这已经不算什么稀奇的了。如果新物质真的会不断地产生的话，它们就有可能被物理学家探测到。要保持宇宙密度不变，所需要的新物质生产率非常非常微小——大约是每百亿年从每立方米的空间中产生出一个原子。这个生产率太小了，远远超过任何实验所能直接探测的范围。没有任何一个物理实验室能制造出平均密度像宇宙那么小的真空。然而，尽管你不能指望直接探测到新物质的产生，这个理论也远没有超出天文学观测的检验能力。恰恰相反，这个理论做出的大量言之凿凿的可检验的预测，都被天文学家用观测数据否定了。
图6。1 1960年左右，托马斯·戈尔德（左）、赫尔曼·邦迪和弗雷德·霍伊尔（右）在剑桥的一次会议中
假如宇宙的总体性质真如他们所说，从古至今都没有变过，那么当我们向太空极目远眺（于是会看到很久很久以前发出来的光）时，应该发现宇宙任何时候看起来都一样。不可能存在一个这样的时间段，期间星系开始形成，而在那之前，宇宙中还没有任何星系。20世纪50年代，越来越多的证据推翻了这个重要预言，让人们逐渐从稳态宇宙理论中清醒过来。射电天文学家说，星系发出的无线电波并不是普遍存在于宇宙过去的任何时期。后来，人们发现了一种叫做类星体（全称是“类星射电源”＇4＇）的新型发光天体，能从像太阳系这么小的区域内发出有如整个银河系大小的能量，这给稳态宇宙模型提出了新的难题。所有类星体似乎都与我们保持特定的距离，这说明它们形成于宇宙历史上一个短暂的特定的时期。稳态宇宙模型无法解释这个现象，而在弗里德曼和勒梅特的演化宇宙中，这个现象非常自然，这表明当宇宙膨胀到一定时期，各种条件成熟了以后，星系、射电源和类星体这样的天体就开始形成了。
当时没有人注意到，这其中有一个奇怪的巧合。在弗里德曼–勒梅特宇宙模型中，宇宙的膨胀速度大约是宇宙年龄的倒数。在稳态宇宙模型中，膨胀速率和宇宙年龄没有任何关系，因为宇宙的年龄无穷大——宇宙一直都存在。稳态宇宙的膨胀速率可以任意取值。实际上这无关紧要。因此，宇宙实际膨胀速率的倒数，跟太阳这样的典型恒星的年龄相近，在稳态理论中完全是巧合。然而，在弗里德曼和勒梅特的演化宇宙模型中，这件事完全是自然而然的。先有恒星，才能有天文学家。于是我们可以设想，当我们观测宇宙的时候，宇宙的年龄已经足够大，足以让恒星安顿下来，并把燃烧氢元素的核反应也稳定下来（需要大约一百亿年）。这样，我们就会发现，宇宙的膨胀速率接近于恒星年龄的倒数。①
① 哈勃常数表示宇宙膨胀速度的大小，量纲是速度（千米每秒）除以距离（百万秒差距），因此哈勃常数倒数的单位是时间。在许多演化宇宙的模型中，哈勃常数的大小往往和逝去的时间呈反比，因此其倒数接近宇宙的年龄和恒星的年龄是非常自然的结果。——译者注
邦迪和戈尔德在1948年提出的稳态宇宙论中没有多�
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