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宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第15部分
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邦迪和戈尔德在1948年提出的稳态宇宙论中没有多少方程。＇5＇这个理论要满足对称性和时空的均匀性原则。他们坚持认为，宇宙从古至今、从头到尾都应该看起来差不多是一个模样。这通常被看成是一种对哥白尼原理的扩充，它不允许我们认为自己正处在宇宙的一个特殊位置。在稳态宇宙论看来，这个位置指的是时空中的位置，而不是仅仅代表空间位置。
这个原理的限定性非常强，只有四种类型的宇宙能够满足其要求。第一种是什么都没有的静态宇宙——没有物质，没有辐射，没有引力，只有时间和空间。这太没意思了。第二个是爱因斯坦最开始提出的静态宇宙。这个宇宙不膨胀，于是所有地方一直都是一样的。现实并非如此，所以邦迪和戈尔德没有选择这个模型。生命的出现要求宇宙得发生一些变化。根据热力学第二定律的预言，宇宙总体的混乱度和复杂度也要不断增加。第三个选择又是一个不膨胀的宇宙，就是哥德尔发现的那个奇特的旋转宇宙。这个宇宙在匀速转动，无论你在何处，看起来都一样。这个旋转宇宙明显不是我们所生活的宇宙。最后一个宇宙终于满足了邦迪和戈尔德的要求。它就是最先由德希特发现的、空间曲率为零的宇宙。不像其他三个，这个宇宙会膨胀，而且膨胀速率从古至今、从头到尾都是一样的。活在这个宇宙的天文学家，无法通过观测来确定现在是“何时”。＇6＇这个宇宙没有开端，也没有终点。
邦迪和戈尔德提出稳态宇宙模型不久，霍伊尔也发表了一个自己的版本。＇7＇他引入了一种物质均匀产生的机制，可以抵消宇宙膨胀的稀释作用。这个机制会直接导致与德希特宇宙类似的演化行为。
这种模型有一些有趣的特点。首先，它解释了为什么宇宙是均匀的、膨胀速率是各向同性的。如果你向稳态宇宙中引入任何不对称性，其产生的影响都会迅速减弱，宇宙的膨胀也会迅速恢复到各向同性、均匀的状态中来。在微扰的影响下，稳态宇宙是稳定的。＇8＇打个比方，假如你暂时把铅笔倒立起来，你会发现这个姿态非常不稳定，任何风吹草动都能使它摔倒。但如果你把一个玻璃弹子放在碗底，并把它推离平衡位置的话，你就会发现它在平衡位置周围飞快振荡，最后回到原点。这就是稳定的物理系统。
稳态宇宙模型引发了巨大的争议，因为它第一次抛弃了爱因斯坦的引力理论，试图仅仅用对称性原则描述宇宙。邦迪、戈尔德和霍伊尔似乎对此不以为意，因为他们的理论能够做出许多简单的预言，很容易被天文学观测检验。霍伊尔提出的物质不断产生的现象，在广义相对论中并不存在，是一种新的物理机制。随后在1951年，英国天文学家威廉·麦克里证明，爱因斯坦的理论中可以很容易地引入霍伊尔的“创生场”，而不必改变其本质。这不过是用另一种形式构造爱因斯坦早先提出的宇宙学常数。宇宙学常数的大小和新物质产生的速率相等。这个速率始终保持不变，所以说它的行为很像德希特宇宙，如图3。4所示。
整个20世纪50年代，稳态宇宙模型一直被看作是传统的“大爆炸”理论有力的竞争者。“大爆炸”一词还是霍伊尔1949年一次在做客BBC第三套广播讲宇宙学时提出的呢！当时观测天文学的前沿是射电天文学，打头阵的是剑桥的天文望远镜，由马丁·赖尔（Martin Ryle，1918～1984）负责实施。赖尔在观测中应用了由他本人发展的新技术，可以提高天文观测的质量。尽管霍伊尔和赖尔在战争期间都曾研究过雷达技术，可他俩的关系并不好，互相怀疑对方故意找茬，想推翻自己的研究成果。例如，赖尔试图用观测数据推翻稳态宇宙的预言，而霍伊尔则质疑宇宙射电源观测结果的精确性和赖尔做出的解读。最终，赖尔的数据几乎征服了所有人，大家都开始相信天然射电源并不是从古至今都普遍存在的，而这违背了稳态宇宙模型的要求。下面这首诗是由乔治·伽莫夫的妻子芭芭拉写的，从旁观者的角度记录了这场争论：
《赖尔辩霍伊尔》
赖尔辩于霍君：
“尔等夙兴夜寐，
我谓宝山空回。
磐石虽稳，
难阻东流之水。
焉能颠倒是非。
我有巡天远镜，
离相贪嗔寂灭，
化解痴心无形。
劝君一言：
既知天高海阔，
自有云淡风轻。”
霍君反唇相讥：
“勒梅特伽莫夫，
陈年旧事休提。
肉食者鄙，
秕言开天辟地，
焉长他人志气？
此理昭然易见，
绝无海枯石烂，
亦非盘古开天。
我辈三人，
绵绵不绝此念，
精疲力竭亦然。”
“非也非也非也，”
赖尔目眦尽裂，
怫然强忍不悦，
“芸芸星系，
放眼穷极视界，
无不森然布列。”
“竖子不足为教！”
霍君如雷暴跳，
词穷理屈又表，
“生生不息，
无论暮暮朝朝，
恒久长存其妙。”
“任尔唇剑舌枪，
我有铁壁铜墙，
切莫贻笑大方，”
赖尔再道，
“不出一时半晌，
必来缴械投降！”＇9＇
赖尔利用剑桥的射电望远镜获得了大量天文观测证据，邦迪、古尔德和霍伊尔三人却无动于衷，仍在射电天文学家的咄咄攻势中做困兽犹斗。这场争论在宇宙学历史中被称作“大爆炸对决恒稳态”，尽管实际上这主要是英国天文学界的事，没怎么影响到美国。＇10＇当然，这件事也体现出，英国和美国宇宙学家的研究方法存在一个有趣的差异。英国的宇宙学家看重科学方法论以及其中蕴涵的科学哲学原理，把它们用来估量一些概念的地位和隐含意义，例如邦迪、古尔德和霍伊尔的完全宇宙学原理。相比之下，奉行实用主义的美国式研究则避开了这些争论。＇11＇由于霍伊尔在广播节目中发挥出色，而且他的书也十分畅销，在英国这场争论简直是家喻户晓，直到今天，仍然有非专业人士以为稳态宇宙模型和大爆炸理论是棋逢对手。
20世纪 80年代，我曾和霍伊尔有过一段时间的接触。当时我们在意大利博洛尼亚参加一个现代宇宙学历史的研讨会，被安排住在一起。我们讨论了许多那段稳态宇宙模型的命运还不甚明朗的时期，以及在所有人都放弃了这个理论之后的二十多年间，他是如何看待这些否定性证据的。最让他困扰的是，这个物质不断产生的过程，应该冒出等量的物质和反物质。在他看来，物质和反物质的平等性是一个大问题＇12＇，因为当时没有任何证据表明存在反原子、反行星或反恒星：宇宙中的物质具有压倒性的优势。的确，我们能在实验中制造出反粒子，能在宇宙射线中探测到正电子，但宇宙主要还是由物质构成的，至少在我们周围的地方是如此。
非常值得注意的是，1948～1952年间，由于最遥远退行星系的距离被科学家算错了，所有的膨胀宇宙模型都被这个数据误导了，于是宇宙的年龄也被大大低估了。在这段时期内，这个数据继而导致了一个悖论，膨胀宇宙模型预言的宇宙年龄比其中最古老恒星的年龄还要略微小一些。就是在这种混乱的情况下，稳态宇宙模型诞生了。于是，它的对手大爆炸理论处境艰难。大爆炸理论不太能描述宇宙的细致特征，因此无法成为一个比稳态宇宙模型更好的理论。爱因斯坦对这个艰难处境的反应值得玩味——而且现在回过头来看，他的反应完全正确。面对恒星年龄比宇宙年龄还大的尴尬，他断定更可能是恒星演化理论错了：“在我看来，无论如何，恒星演化理论所依赖的基础不如引力场方程牢固。”＇13＇
1952年，由于沃尔特·巴德（Walter Baade，1893～1960）的出场，境况开始变化。巴德是一个德国天文学家，从1931年起在美国生活和工作。他怀疑当时造父变星的绝对亮度有误，于是用坐落在帕洛玛山的 200 英寸望远镜来验证自己的怀疑。天文学家用造父变星来测量河外星系的距离，进而根据哈勃–勒梅特定律，描述遥远天体的退行速度。当时的观测结果表明，虽然仙女座星系看起来和银河系如此相像，但它的尺寸远比银河系小得多，于是巴德就产生了怀疑。巴德嗅到了蛛丝马迹，并通过一丝不苟的工作，最终发现了问题所在。他证明了造父变星比人们想象的更亮。因此，天文学家们大大低估了遥远恒星和星系的距离。巴德证明，天体的距离都应该翻倍，而宇宙的年龄也应该是原先预计的两倍——36亿年，而不是 18亿年。到了 1954年，关于星系的距离有了进一步修正，于是宇宙的年龄增加到了54亿年。最近，借助于测量遥远天体距离的新方法，以及新的地面和太空望远镜的出色观测能力（如哈勃望远镜和斯皮策望远镜），宇宙的年龄终于被确定了下来。如今，对膨胀宇宙年龄的最佳估计是 137 亿年，不确定度只有1亿年。
桌面上的宇宙
想当年，我们的科研预算通常都很紧张。我们的手头自然也就非常拮据。例如写1941年的那篇论文时，我不得不一个人挑起所有重担，包括重建实验室，安装所有电子仪器。这很花时间，不过当发现自己什么都会做时，你就会非常惬意和满足。现如今，科学家都被宠坏了，尤其是在发达国家。
——埃里克·霍尔姆伯格＇14＇
在当今社会，电子计算机非常普及，而且容易上手，以至于很难想象没有它们，世界会变成什么样子。天文学家们利用大型计算机来模拟一系列复杂的物理过程，这能够描述恒星和星系如何形成，以及是如何在天上分布的。1941年，埃里克·霍尔姆伯格（Erik Holmberg，1908～2000）还是瑞典隆德皇家大学天文台一名年轻的天文学家，是他第一次模拟了宇宙。他并没有使用现代意义上的计算机（当时还没发明），实际上，他自己造了一台模拟器，可以模仿引力的行为，然后进行观察和测量，看看多恒星系统在引力的作用下会如何演化。
我们所生活的三维世界有一个惊人的特点，那就是许多自然的基本作用力和效应，会随着彼此距离的增大而以平方反比的规律迅速衰减。＇15＇引力、磁力、静电力和光照的强度都符合这个规律。霍尔姆伯格想知道，两个被恒星环绕的星系相互靠近时，会发生什么情况。来自另一个星系的引力是如何改变这个星系中的恒星轨道，继而改变星系形状的呢？由于宇宙在膨胀，从前的星系要比现在靠得更近，因此狭路相逢的可能性也比今天高得多。＇16＇
霍尔姆伯格决定利用光照的强度和引力一样都遵循平方反比定律的特点。他用一组灯泡来模拟多体系统中的引力分布。在一个暗室的桌面上，他安装了两个扁平的星系模型（就像银河系），每个星系里有37个灯泡，分别排列在各自的同心圆结构上。每一个灯泡的亮度都代表了对应恒星的质量，而且根据距离圆心的远近，这些灯泡的亮度都要做相应的调整，以符合恒星分布的实际情况。每个灯泡的四个面上都有一个传感器，每个面都会所接收到不同距离外的灯泡照射，然后他用光电池和电流计来测量照射的强度。霍尔姆伯格从当地的工厂定制了这些特殊的灯泡。两个灯泡组成的“星系”各自旋转着，同时沿着直线彼此靠近。这样，霍尔姆伯格通过测出照着在每一个灯泡上的光线强度，并计算出总体影响（“合力”的大小和方向），就能知道恒星下一步会如何运动。所有74个灯泡都移动到新的位置，在新的位置上受到的光照强度又决定了灯泡下一步的运动。利用这个精巧的装置，霍尔姆伯格就能够建立一个模型，来模拟两个恒星系统对彼此的引力相互作用，以及一步一步的演化过程——这个过程过于复杂，根本无法用铅笔、草稿纸和牛顿定律来求得精确结果。＇17＇
图6。2和图6。3摘自霍尔姆伯格的论文。＇18＇他发现两个星系狭路相逢的时候，彼此之间的引力最强，产生的形变也就最严重，而且经常会产生臂状结构，让人不禁想到许多扁平星系都有旋臂，例如银河系。当两个星系互相做逆时针转动时，这个臂状结构就朝外弯曲，指向旋转的对称轴，但如果是顺时针的转动，臂状结构就指向相反的方向。他还断定，中小型星系经常会被大型星系的强大引力所俘获，彼此混合在一起，组成了一个新的大型星系，形状变成椭球形而不是螺旋型。
图6。2 埃里克·霍尔姆伯格用电灯泡模拟星系的演化。在他的这幅图中，灯泡被安置在直径80厘米的同心圆上，一共37个灯泡。他做了两个这样的模型，每个模型都代表一个由恒星组成的星系。调节灯泡两端的电压就能改变每个模型中灯泡“质量”的分布（即亮度）。灯泡的直径是8毫米，比灯泡之间的距离10～20厘米小得多
霍尔姆伯格富有想象力的工作给宇宙学研究中引入了一个新的工具。直到20世纪70年代，这种工具才再次出现，并伴随着计算机技术的革命，规模越来越大，模拟能力越来越强。借助这些新工具，人们可以建立宇宙的计算机模型，或者是一些经过简化的模型。将简单的引力定律编成程序，就能计算膨胀宇宙模型中任意数量的质点之间的引力，这样计算机就能跟踪这些质点的演化，了解它们如何结团，弄清楚星系初次形成的时期，或者它们何时会与邻近星系碰撞。最终，我们希望能够了解恒星在星系中如何形成的所有麻烦的细节。
图6。3 两个埃里克·霍尔姆伯格的电灯“星系”模型，每个模型都顺时针转动，之间的距离等于星系的直径。星系的引力相互作用导致了旋臂的产生，并且指向星系转动的方向。短箭头表示两个星系靠近最近点时的运动方向，弯曲的箭头表示转动方向
今天，在全球最强大的计算机上，宇宙学家们可以模拟不同类型的宇宙，从中预言我们应该在望远镜里观测到什么现象，或是解读一些观测数据的统计含义。鉴于世界上曾经存在两类天文学家，一类是观测天文学家，一类是理论天文学家，现在可以说有了第三种。计算天文学家的能力与众不同，他们能编写错综复杂的计算机代码，生成精彩绝伦的图片或视频，从而展现不同的宇宙模型的不同特点。＇19＇理论天文家作出预言，计算天文学家检验预言，观测天文学家则负责用望远镜来寻找检验的结果。
带电的宇宙
……由于时常需要把这儿的灯泡换换，又把那儿的晶体收音机调调，我就学到了扎实的电学实践知识。但这些知识并不全面——比如，我还是不明白为什么不能用一个电吉他煮鸡蛋。
——凯斯·沃特豪斯（1929～2009，英国作家）＇20＇
在发展稳态宇宙理论的同时，1948年，赫尔曼·邦迪还提出了一个非常不同的宇宙模型。他设想，这个模型可能有稳态的形式，但这种形式对宇宙膨胀来说，既非充分也非必要。他和剑桥的同事瑞·利特列顿共同发展了这个想法，并注意到两个像质子这样的带电粒子，产生的静电斥力要比引力大得多（实际上大1039倍）。
通常，人们假设氢原子呈电中性。氢原子包含一个质子和一个电子，两者的电荷大小相等，符号相反�
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