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布鲁卡的脑——对科学传奇的反思 作者: 卡尔·萨根 第二十四章 哥特和海龟 现在，一天飞来到这样一个时分：这一片昏黑的宇宙，充满了令人不安的嘁嘁喳喳的嘈杂声。 威廉·莎士比亚 《亨利五世》，第四幕，序曲 在关于我们这个物种最早的神话和传说中，有一种普遍而可理解的宇宙观：人类中心论。诚然，神是有的。但这些神有感情，也有弱点，他们具有人的特性。他们的行为是反复无常的。他们能用祭祀和祈祷来赎罪。他们有规则地干预人类事务。不同部门的神，在人类战争中，各自支持对立的一方。《奥德赛》表达了这样一种普遍持有的观点；和善地对待陌生人是明智的，因为这些陌生人可能是神改扮的。神一旦与人结成配偶，他们的后裔一般与人没有区别，至少在外貌上难以区分。神住在山中，或天上，或地府或龙宫——总之，生活在十分遥远的地方。神既然难以亲眼见到，所以，讲述关于神的故事自然难以核实。神的行动有时受更有权力的神控制，例如“司命运的三女神”就控制奥林帕斯诸神。整个宇宙的性质，它的起源和命运，都不能认为已有了充分的理解。在《吠陀》神话中，不仅关于神是否创造世界，甚至关于神是否知道究竟是谁创造了世界，都是有怀疑的。赫西奥德（Hesiod）在他的《宇宙开创论》中说，宇宙可能从（或可能由）混沌创造出来的——或许是因为这个问题的困惑而用的一种比拟吧。 古代亚洲有一些宇宙论观点，颇接近与因果的无限回归，下面这个可疑的故事可作例证：一位西方旅游者遇见一位东方哲学家，请他描述一下世界的本质： “世界乃是放置在世界海龟扁平背上的一个大球”。 “哦，是啊，但是世界海龟又停伏在什么之上呢？” “停伏在一个还要大的海电的背上。” “是的，但是它又停伏在什么之上呢”？ “这是一个非常透彻的问题。不过，这个问题没有意义。阁下；下面全都是一只只海龟。” 我们现在知道，我们生活在一个广漠无垠而又卑贱低下的宇宙中的一粒小小的尘埃上。各种神，如果确实存在，也不再干预人类的日常事务了。我们并不生活在一个以人类为中心的宇宙中，宇宙的本质、起源和命运，比我们远古祖先们所设想的看来要神秘得多。 但是，情况在不断地变化着。把宇宙作为整体研究的宇宙论，正在日益变为实验科学。地面上用光学望远镜和射电望远镜所获得的信息，通过在地球轨道上用紫外线和X射线望远镜所获得的信息，通过实验室中对核反应的测量以及通过陨石中化学元素丰度的确定所获得的信息，正在使可容许的宇宙论假说的范围大大缩小了；而且可以毫不夸张地预期，那些一度被看作哲学和神学思辨而特别保留下来的问题，不久将会有明确的观察答案。 这种观察上的革命，开始于一个不太可能的来源。本世纪二十年代，由珀西瓦尔·洛厄尔（Percial Lowell）在亚利桑那的弗拉格斯塔夫地区建立了一座取名洛厄尔观察站的天文设施，这座天文台至今尚在，洛厄尔用它不遗余力地寻找其他行星上的生命。正是洛厄尔普及并推进了火星上遍布纵横交错的运河这一思想，他相信那是热衷于水力工程的生命的人工运河。现在我们知道，运河根本就不存在。所谓运河显然是主观愿望的产物，同时也是受到地球上朦胧大气而限制了观察的结果。 在他的其他一些有意义的研宪中，洛厄尔尤其关心螺旋状星云——天空中那些精致的轮形光亮体，现在我们知道，它们是遥远的星团，由数千亿颗单个恒星组成的。正象我们的太阳是其一部分的银河系一样。然而，在那时，还无法确定那些星云的距离，而洛厄尔则热衷于另一种假说——螺旋状星云不是巨大的、遥远的星群，而是相当小的、较近的星体，它们处于由星际气体和尘埃凝聚成单个恒星的早期阶段。由于这种气体在自引力下收缩，根据角动量守恒，它们加速旋转并从而收缩成一个薄平的圆盘。快速旋转能用天文学上的分光光谱方法进行检测，让来自遥远天体的光，连续通过一架望远镜，一条狭缝和一块玻璃棱镜或其他装置，使白光展开成一条彩虹。恒星光的光谱含有彩虹的各种明暗线，即分光仪狭缝的各种象。一个例子是由钠所发射的明亮的黄线，很象我们把一小块钠扔进火焰中所看到的。由许多不同比学元素组成的物质。将显示出许多不同的光谱线。当光源不动时，这些光谱线代替了它们通常的波长，就给了我们关于光源朝向我们和背向我们运动的信息——这种现象叫多普勒效应，这是一种我们已在声学中所熟知的现象，正象一辆汽车快速驶近或离开远去时，汽车喇叭声的音响度会升高或降低一样。 据说洛厄尔曾要求一位年轻助手V．M．斯莱弗（Slipher）检查较大螺旋状星云，确定一下是否一边显示出光谱线移向红端，而另一边则移向蓝端，从中就有可能推导出星云旋转的速度。斯莱弗研究了附近的螺旋状星云的光谱，但使他感到惊异的是，几乎所有诸线都显示出向红端移动，实际上所有谱线都没有向蓝端移动的迹象。他没有发现旋转，而只发现了退移现象。这表明仿佛所有的螺旋状星云都在退离我们远行。 本世纪二十年代，由埃德温·哈勃（Edwin Hubbell）和米尔顿·赫马森（Milton Humason）在蒙特·威尔逊（MountWilson）天文台，获得了一组广泛得多的观察结果。哈勃和赫马森发展了一种确定螺旋状星云距离的方法；由此进一步弄清了，它们不是在银河系中离我们较近的凝聚气体云，而是本身就是相距几百万光年或更远距离的巨大星系。使他们惊异的是，他们还发现，星系相距越远，它们退离我们的速度越快。由于我们在宇宙中所处的位置没有任何特殊之处，所以，这种退离现象用宇宙在普遍膨胀的解释，才能得到最好的理解。所有星系都退离一切其他星系，因此，在任何星系上的天文学家都会看到所有别的星系都在明显地退行着。 如果我们把这些相互退行推回到过去，那么，我们发现，曾有一个时期——或许是一百五十亿或二百亿年前——所有星系必定是“接触”的；也就是说，被限制在一个极其小的空间体积内。现存的物质形式是不可能以这种令人惊奇的压缩状态幸存下来的。这个膨胀的宇宙的最早期阶段必定是受辐射支配而不是受物质支配的。这就是我们目前习惯上所说的大爆炸时期。 对于宇宙的这种膨胀，曾经提出过三类解释：稳恒态、大爆炸和振荡宇宙，这样三种宇宙学理论。在稳恒态假说中，星系彼此退行，更远距离的星系以非常高的表现速度运动，按照多普勒效应，它们的光向越来越长的波长转换。将达到这样一个距离，在这个距离上，星系运动是如此之快，以致越过了所谓它的事件水平线，而从我们有利的观点来看，它已消失了。这个距离是如此之远，以致在一个膨胀的宇宙内，不会有机会得到这个宇宙之外的信息。随着时间的流逝，如果没有别的干扰，那就有越来越多的星系将超越这个边界而消失了。但在稳恒态宇宙学中，在边界消失了的物质，恰好被在各处连续创造的新物质所补偿，新物质又最终凝聚成新的星系。由于星系越过事件水平线而消失的速率，正好与新星系产生的速率相平衡，所以，宇宙随时随地看上去多少是同一的。在稳恒态宇宙学中，不存在大爆炸；一千亿年前，宇宙看上去是那个样子，而从现在起再经一千亿年，宇宙也还是那个老样子。那么，新物质又从何而来呢？物质怎么能够从无中创造出来呢？稳恒态宇宙学的信奉者回答说，大爆炸信奉者的爆炸是从哪里来的，那么，我们的物质也就从哪里来。假如我们想象，宇宙中的一切物质是在一百五十亿年到二百亿年前不连续地从无中创造出来的，那么，为什么我们就不能想象，它能从四面八方以涓涓细流的方式，连续而永恒地创造出来的呢？假如稳恒态假说是真的，那么，星系永远不会有靠得很近的时候。这个具有最大结构的宇宙，自然是不变的和无限古老的。 但是，宁静而以令人惊奇的方式使人满意的稳恒态宇宙学，仍有着反对它的强有力证据。每当一台灵敏的射电望远镜指向天空的任何一处时，就能探测到一种宇宙静电场的经常不断的吱吱声。这种无线电噪音的特性，与我们所期望的早期宇宙是热的，并为除物质外还有辐射所充满的情况，几乎完全相符。宇宙黑体辐射在天空的一切地方都是相同的，并且很象是发生在遥远地方的大爆炸的隆隆声，它们随着宇宙的膨胀而冷却和减弱，但仍然流经时间的长河。原始火球，产生膨胀宇宙的爆炸事件能够被观察到。稳恒态宇宙学的支持者，现在被迫假定辐射的许多特殊来源，总起来说，不外乎重弹来自冷却了的原始火球的老调，或者假设，超越事件水平线很远的宇宙是稳恒态的，但通过一个特定的偶然事件，我们便生活在一个膨胀着鼓泡中，这个鼓泡象是一个在更加巨大而又更加宁静的宇宙中的急胀着的脓疱。这种思想孰优孰劣，要视每个人的观点而定，因为它不可能为任何可设想的实验所否证，而事实上，所有宇宙学家已将稳恒态假说抛弃了。 如果宇宙不是一种稳恒态，那么，它正在变化着，而这些变化着的宇宙是由进化宇宙学描述的。它们以一种状态开始，而且它们以另一种状态告终。在进化宇宙学中，宇宙可能的命运是什么呢？如果宇宙以目前的速率继续膨胀，而星系在越过事件水平线后又消失，那么，在可见的宇宙内，物质最终将越来越少。星系间的距离将增加，而在斯莱弗、哈勃和赫马森的后继者看来，就是螺旋状星云将越来越少了。最后，从我们的星系到最近的星系间的距离将超过到事件水平线的距离，这样，天文学家将不再能看到那怕是最近的星系，只有到（非常）古老的书和图片中去看这些星系了。由于引力，把我们的星系中的恒星聚在一起，膨胀着的宇宙才不会把我们的星系驱散，但即使是这样，也还有一种奇特而凄凉的命运在等待着我们。举一件事便可知，恒星在演化，而在百亿年或千亿年后，大多数现有恒星都将变成小而暗的矮星。留下的将被坍缩成为中子星或黑洞。不再有新物质可供产生有活力的年轻一代的恒星。太阳、诸恒星、整个银河系都将慢慢熄灭。黑夜长空中的点点光亮也将消失殆尽。 但在这样一个宇宙中，依然还存在进一步的演化。我们通常使用放射性元素这样的观念，放射性元素是一些原子能自发蜕变，或分裂成碎片。普通铀就是一个范例。但我们却很不熟悉这样的观念，即除铁以外的每种原子都是放射性的，并且有足够长的放射时间。即使是最稳定的原子，也有放射性蜕变，放射a粒子和其他粒子，还分裂成碎片，天长日久，最后只剩下铁。这种情况要经历多长时间呢？美国高级研究所物理学家弗里曼·戴森（rreeman Dyson）计算出铁的半衰期约为106[500]年，这个数字就是在1后面加五百个零——它是如此之大，以致一应专心孜孜的数字学家将花去十分钟才能把它写出来。所以，如果我们再等稍长时间——10[600]年就够了——不仅恒星将消失，而且宇宙中的所有物质，除中子星和黑洞外，也都将蜕变成最终的核尘。最后，星系将一起消灭。太阳也将变得黑暗无光，物质发生分解，因此，这时生命、智能或文明会继续生存下来的可能性，将是不可设想的——这真是一个冰冷、黑暗和孤寂死亡的宇宙。 但是，宇宙需要永远膨胀下去吗？如果我站在一颗小行星上，并向上抛掷一块石头，那么，这块石头将离开这颗小行星，因为在这样的一个小世界上没有足够的引力能把石头拉回。如果我从地球表面，抛掷同一块石头并用相同的速度，这块石头自然会返回并落到地面，这是因为地球实际存在的引力作用所致。但是，同一种物理学应该适用了作为整体的宇宙。如果物质的量不到某个数值，那么，每一星系都将不受其他星系的引力吸引而逐渐离开，宇宙的膨胀也将永远继续下去。另一方面，如果超过某一临界质量，膨胀将最终缓慢下来，而我们也将从宇宙永远膨胀下去这种颓废的目的论中拯救出来。 那么，宇宙的命运将如何呢？为什么一个观察者不会看到膨胀最终将被收缩所代替，即各星系会缓慢地，随后又以一直增加的速度彼此接近，各星系、世界、生命和物质发生急速的碰撞而一起遭毁灭，直到宇宙中的全部结构最终遭到破坏，而宇宙中的一切物质都转变成能量为止：宇宙不是以冰冷和孤寂告终，而是以炽热而又稠密的火球结尾。很可能这个火球会重新活跃起来，导致宇宙的新膨胀，而如果自然界的规律依然相同，则也将导致物质的新形式，一系列新凝聚成的星系、恒星和行星，以及生命和智能的新进化。但是，来自我们宇宙的信息，不会慢慢地传给下一个宇宙，因此，往好处说，这样一种振荡宇宙学，说明宇宙既是永不停止的膨胀，又有一个确定的和萧条冷漠的终结。 具有永远膨胀的大爆炸和振荡宇宙学之间的区别，明显地与物质存在的量有关。如果超过了物质的临界量，那么，我们就是生活在一个振荡着的宇宙中。否则，我们就是生活在一个永远膨胀着的宇宙中。膨胀的时间——以百亿年计——是如此之长，以致这些宇宙学问题，并不直接影响人类的利害关系。但是，对我们的自然观、宇宙之命运以及——如果眼光放得稍远一点——也包括我们自己，则具有最深远的意义。 1974年12月15日出版的《天文物理学杂志》上，发表了一篇著名的科学论文，文中以一系列范围广泛的观察证据，论述了宇宙是否将继续永远膨胀下去（“开放”的宇宙），抑或它将作为振荡的无限系列的部分而逐渐地变得缓慢并重新收缩（“封闭”的宇宙）的问题。这篇论文是由J．理查德·哥特第三（J．Richrd Gott III）和詹姆十·E．冈恩（James E．Gu－nn），以及戴维·N．施拉姆（David N．Schramm）和比阿特丽斯·M．廷塞列（Beatrice M．Tinsely）合写的，前两位当时在加利福尼亚理工学院，后两位当时在得克萨斯大学。在他们的论证中，有一条是审查了对已作了充分观察的空间区域“附近”的星系内和星系间的质量所作的计算，并外推到宇宙的其余部分；他们发现，没有足够的物质能使膨胀缓慢下来。 普通氢具有包含单一质子的核。重氢，又名氘，具有包含一个质子和一个中子的核。在地球轨道上运行的一架取名“哥白尼”的天文望远镜，第一次测得恒星间的氘量。氘必须在大爆炸中产生，其量取决于宇宙早期的密度。宇宙的早期密度与宇宙现今的密度有关。“哥白尼”发现的氘量暗含了宇宙早期密度的值，并已提示出，目前的密度不足以阻止宇宙永远膨胀下去。而所说的就是哈勃常数的最佳值——哈勃常数规定更遥远的星系比我们附近星系退行速度快多少——这与我们前面所述相一致。 哥特和他的同事们强调指出，在他们的论证中可能会有漏洞，强调这种论证或许有可能以一种我们所难以察觉的方式掩盖了星系间的物质。这种质量上的忽略的证据目前已开始提出。高能天文观察（HEAO）是一组绕地球轨道运行的卫星，并观察宇宙的粒子和辐射，而这些粒子和辐射在我们这里，在厚厚的空气层之下，是难以探测到的。这类卫星已探测到了极强的X射线，它们来自星系团，来自星系际空间，在这些空间内迄今还没有迹象表明有任何物质存在。星系间的极热气体，用别的实验方法是看不到的，因此，在哥特和他同事们所开列的宇宙物质清单中被漏掉了。不仅如此，在波多黎各阿里西博天文台地面站所进行的射电天文学研究结果已经表明，星系中的物质从星系的表现边界向远远超过视觉光方向扩展。当我们注视着一张星系照片时，在没有明显发光的物质之外，我们还能看到一个边界或周界。但是，阿里西博射电望远镜已经发现，物质在极其缓慢地消退，而且还发现在星系的周界和外部有实际的暗物质存在，这些情况在以前的观察测量中被忽视了。 所忽视的物质的量，是使宇宙最终坍缩所必需，而且是绰绰有余的。它比例如哥特发明的所需物质标准大30倍。但很可能是，在星系边界内的黑暗气体和尘埃，以及星系之间的X射线中增长的令人惊奇的炽热气体，一起构成了恰好适合使宇宙封闭的物质，从而阻止永远膨胀下去——但它因此而向我们宣告一个不可避免的结局，即宇宙将在五百亿年或一千亿年中变为火球。不过，这个结果依然处于动摇之中。氘提供的证据指出了另一种方式。我们的质量清单还远不完善。但随着目前观察技术的发展，我们将有能力探测出越来越多的任何忽视了的质量，并因此似乎事态正在朝有利于封闭宇宙的观念方面发展。 在这个问题上不作过早的决定是正确的。尽可能不要让我们的偏爱影响作出这种决定。相反地，在科学取得成功的长期历史中，我们应该容许大自然为我们揭示真理。但发现的速度正在加快。从现代实验宇宙学中突现出来的宇宙本质，大大不同于对宇宙和神作思辨的古希腊人的宇宙本质。如果我们避免人类中心说，如果我们实在地和无偏见地考虑一切选择，那么，说不定在今后的几十年里，我们将第一次严格地决定宇宙的本质和命运。那时，我们将明白哥特是否真的认识到了。 ------------------ |
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