独立思考是突破颜值文化的唯一出路
古哥古点 2015年11月30日
《小船和魔镜》
来自古哥古点
大爆炸理论从诞生到相对成熟，追本溯源，内容何其丰富。想在一本书中，尽数呈现其中精彩的片段已经极尽腾挪之能事，可是我却更加过分的想在一期节目中就把整个理论演变过程浓缩以尽，这实在已算不得是简史，而是极简史。既是极简，必是写意的，本期的大爆炸极简史也就写意的从伽利略的一叶小舟说起吧。
在一片一望无垠的水面上飘来了一只船，你可以把它理解为我们的地球，而这片汪洋就是整个的宇宙。因此这里说的一望无垠并不是文学的形容，而是实在客观的描述，宇宙绝对当的起“一望无垠”四个字。当然一望无垠并不等同于无边无际，这片硕大的水面仍是有边界的，它就是我们的可观测宇宙。
这艘船的创造者是伽利略，他当然不是想去浪漫的航行，而是借助小船阐述了一个深刻的道理。当小船在匀速直线航行时，如果把你置于其封闭的船舱内，断绝一切和外界的联系，那么仅凭舱内的物体运动状态，你是无法判断此刻的船是静止还是运动的，同样也无法感知那均匀的航速究竟是快还是慢。这叫做运动的相对性原理。
相对性当然是重要的，人们为此已经纠缠了千年。这片水面上有一座漂浮的灯塔，船上的人并不知其底细。在漫长的岁月中，他们每天都会看到明亮的光在绕着自己打转，从东边出现，又从西边隐去。水面浩瀚，周围没有任何的参照物，船上的人无法察觉自己的移动，于是，他们想当然的认定自己是这浩渺水波上唯一的中心，而那灯火正在围绕着自己旋转。然而他们忽略了另一种可能，也许灯光才是不动的，而船却在兜圈。日心说的故事大家熟悉无比，它其实就是一种运动的相对观。这个今天看来很是简单的问题却曾让人们迷惘已久，直到伽利略用自己发明的望远镜观察到金星的星相变化规律并用神秘的移位密码记录下来之后才得以最后解决。形象的说，星相就是这片水面上的一个礁石被光线照亮的模样，灯绕船还是船绕灯，推论出来的光照礁石的样貌变化是不同的。于是，伽利略简单的看了一眼金星那块礁石，便找出了答案。但更重要的是，或许正是这个问题，启发了他对相对性的思考。
运动描述的相对观并不是封闭船舱引出的运动相对性原理，后者要重要的多，它有力的回答了地心说捍卫者最爱提出的诘问，如果地球在绕日飞奔，何以我们没有感到那狂风的存在。相对性原理直接决定了稍后的牛顿体系所定义的力，更牵扯到对刻画宇宙命运来说至关重要的光。光在我们的水与船的隐喻中就是那飘荡的涟漪。在广阔无垠的水面上，它是我们感知遥远的周边世界的唯一凭借。
Geocentric and Heliocentric model
牛顿说他的成就是站在巨人肩膀上获得的，这并非简单的谦虚。准确的理解这句话需要知道它不是独白而是对着一个人罗伯特·虎克所说，所以牛顿的本意是：不好意思，你不是巨人。牛顿挖苦了虎克，但巨人们真的存在，所幸的是包括牛顿在内，这个时代的巨人们对于运动相对性的认知与伽利略完全一致，所以这里可以跳过不说。稍微要提起的反而是名不见经传的德国马格德堡市的一个小市长冯·格里克。这个发明了抽气机的人在真空瓶中放了一个响铃，结果声音消失了，这充分证明空气是声音传播的媒介。可是人们透过真空瓶依然能够看到响铃的这一事实说明光并不依赖空气传播，那么光的介质是什么呢？这种在当时看来必须存在的物质被假定为以太，而以太将在后面改变一切。
回到伽利略的那艘小船，终于有一个神秘的男孩来了。他在船舱内装饰了一面小镜子，他不是嫉妒白雪公主的王后，但他的镜子确实是一面魔镜，因为他改变了一个问题的答案。镜子镜子，谁是这个世界上最懂得运动的人，以前的回答是牛顿，现在的回答是爱因斯坦，而他正是那个装镜子的男孩。
真空泵进行的马格德堡半球实验
年轻的爱因斯坦做了一个梦，他看到自己所在的小船正和光以相同的速度飞驰，他兴奋不已的去照镜子，却突然发现了一个悖论。既然小船与光速相同，那么从自己的面庞发出的光就和自己保持相对静止，这些光会永远停留在皮肤上而无法到达镜子。如此一来，自己的像就从镜中消失了。爱因斯坦不靠脸吃饭，照不到镜子并不成问题。真正的问题是，如此一来，他就可以通过观察这面镜子中是否有自己的像来断定小船的速度是否达到了光速，而这将和伽利略的相对性原理直接抵触。伽利略的金科玉律是只要船在匀速运动，无论快慢，船舱里的人是无法知道速度的。这个悖论，究竟是伽利略错了呢？还是镜子有问题呢？
镜子不应该有问题，唯一可以摆脱这个思维困境的办法就是改变光必须依赖介质传播的结论。因为只要有介质存在，相对性原理必然难以两全，光只能是独立传播。可这又会引发新的问题，光如果没有介质，光速又是相对谁而言的呢？对此问题，爱因斯坦事实上别无选择，他只能回答光是相对于观测者而呈现速度的。可是观测者有千千万啊！难道要他们每个人测量的光速全都一样而置其本身速度于不顾吗？是的，只能如此，别无它法。光速是唯一的，就这样成了无可躲避的推论。它确保了相对性的成立，而牺牲了传统的刚性时空理念。虽然这种牺牲和以太不应该存在的想法听起来几乎同样荒谬，但未来物理的进展将很快做出取舍，爱因斯坦还是赢了。
爱因斯坦追光实验
其实，不用等到未来，甚至在年轻的爱因斯坦用大脑推翻以太之前，硬邦邦的实验已经否定了这种虚幻的物质，这就是著名的迈克尔逊莫雷实验。只不过，孤独的爱因斯坦并不知道这一切。迈克尔逊的实验原理非常简单，再次借用一下伽利略的小船，把它放到一条流动的河中。第一次，让它顺水向前行进100米之后再返回，第二次，让它垂直于河岸向对岸方向开出100米再返回。两次的时间会相同吗？除非你特意安排航速的数据，否则这两个结果肯定不同。光就是小船，以太就是河水，前行的地球就是水流。作为传统认知的坚定信仰者，迈克尔逊和莫雷满心期待通过一次简单的双向对比证实以太的存在，结果却是，两个方向的光速毫无差别。他们拼命的检查实验的各个环节并重复进行实验，但结果依然不变。结论是没有以太。
匀速前行的伽利略小船的封闭船舱难以封闭爱因斯坦的雄心，他要把相对性原理拓展到所有加速运动的物体上，也就是非惯性系当中，这发展成为后来的广义相对论。狭义相对论改变了人类的时空观念，而广义相对论则把弯曲的时空解释为引力之源。约翰·惠勒有一句名言精妙的概括了狭义和广义相对论的区别，物质告诉时空怎么弯曲，时空告诉物质怎么运动。（惠勒的原话是空间，而不是时空。这显然是一种不准确的的描述，这里做了修正。）接下来，两次重要的天文学实测课题，水星进动那始终无法解释的43角秒误差以及想当逃兵的爱丁顿在日食中观测到的光线偏转角度无可置疑的证实了广义相对论的正确性。这些故事大家都很熟悉，不再赘述。值得一提的是，爱丁顿在实验中的测量值是1.61角秒，这与爱因斯坦的理论值1.74角秒相比吻合度并不算高，但也在实验允许的误差范围内，尽管已经到了边缘。而其与牛顿力学给出的预测值0.87角秒比起来则相差悬殊，实验当然是成功的。可面对如此铁证，牛顿的拥护者中仍有人痴心不改，他们尝试着把牛顿的万有引力公式里面分母上的距离的2次方修正为2.00000016次方，但是这蹩脚而凄美的小数看起来更像是牛顿走下神坛的花环。
Arthur Eddington
广义相对论成功于能够解释引力之源，却似乎将失败于不堪承受引力之果。按照爱因斯坦方程的推论，宇宙间的引力将是压倒一切的主宰，所有的物质终将因引力而吸聚在一处归于毁灭。这样的图景绝不是人们能够接受的。自维多利亚时代以来，人们已经普遍认可了一个稳定不变的宇宙模型。因为在牛顿版本的宇宙中，引力吸聚问题早已存在，而牛顿采用了一种浪漫的无限式模型加以解决。他认定宇宙在各个方向都是均匀无限大的。如此一来，处处都是宇宙的中心。既然是中心，四面八方的引力就会相互抵消而使该处稳定，既然处处都稳定，整个宇宙也就是恒久的。这就是稳恒宇宙模型。当然，早就有人意识到这个模型存在的巨大隐患。曾有人这样形容，当一个人随便翻动一页书，宇宙的密度便不再对称，整个世界将最终因此毁灭。爱因斯坦不想要这样的解决方案，他不让宇宙塌缩的方法是在公式中额外引入一个能够消除引力影响的对抗项，可是如此粗暴的处理方式完全破坏了广义相对论方程难以形容的美。爱因斯坦承认，这个引入的常数“仅对于造成物质的准静态分布这个目的才是必要的”。可左右犹豫的爱因斯坦最后还是屈服了，他生硬的加入了一个斥力项，并将其命名为宇宙学常数。
爱因斯坦选择务实，就有人选择理想。难道不可以不引入修正项吗？直接使用广义相对论计算宇宙的命运不可以吗？当然可以，只不过这种情况下，宇宙就从亘古不变成为了有始有终，或者更形象的说，神创论的宇宙变成了进化论的宇宙。令人啼笑皆非的是教皇大人们的思维逻辑，他们在生物学领域支持静态的神创论，不希望有演化过程；而在宇宙学领域，他们又反过来支持一个有开端的动态演化说，反对稳恒宇宙。一切立场的更迭大概就只是因为这两个学科处在圣经的不同章节罢了。
爱因斯坦（右）和勒迈特（中）
提出动态宇宙说的理想主义者有俄国的倒皇派分子亚历山大·弗里德曼和比利时神父乔治·勒迈特。弗里德曼把宇宙学常数在各种取值下所推算出的结果全都讨论了一遍，其中最重要的就是取值为0的情况，这等同于原始的没有宇宙学常数的公式。引力当然会造成塌缩的趋势，但是弗里德曼很聪明，他想到宇宙能够克服这一趋势成长为今天的规模，不一定是斥力的作用，也有可能是一种膨胀的惯性使然。他甚至想到了，宇宙未来的命运将取决于这种惯性的大小。如果引力过小，宇宙将一直膨胀下去；如果引力过大，宇宙将在某个时刻停止膨胀重新收缩；如果引力和惯性刚好平衡，宇宙的膨胀不会停止也不会涨到无限大，但趋势会越来越弱。爱因斯坦本能的反对这样的挑战，他起初轻率的认定弗里德曼的计算有误，后来虽承认弗里德曼的计算没有问题，可仍然在给杂志社的一封不算诚恳的道歉信中坚持说，尽管这些解的数学是正确的，却没有实在的物理意义。没有实证的情况下，大师的判词可以决定普通人的学术命运，弗里德曼从此后始终寂寂无名，直到去世。然而就在他死后没几年，勒迈特再次独立的发现了类似的动态宇宙解。这位既是科学家又是天主教牧师的勒迈特一生都因为这种双重身份而夺人眼球，他自己骄傲的说：“实现真理有两种途径，我准备二者兼得”。勒迈特比之弗里德曼更加有优势的一点是，他不是个数学家而是个天文学家，他的理论中包含了更多的宇宙演化图景。他第一次意识到，这个理论意味着如果把时间倒进，宇宙将有一个不断缩小的过去，直到最初的起点。那个时代，人们正处在研究核衰变的高潮，勒迈特大胆的想象整个宇宙的开端是一个大型原子，这个太初原子通过不断的衰变分裂，产生出了今天世界中所有物质的粒子。爱因斯坦又一次错过了支持动态宇宙学说的机会，他对勒迈特构想的回应是：“你的计算是正确的，你的物理是可憎的。”我们不能苛责爱因斯坦，宇宙产生于一个大原子，这个脑洞怎么衡量也不比当年时空可以扭曲的脑洞来的更小。爱因斯坦后来曾自嘲道：“为了惩罚我对权威的蔑视，命运让我成了权威。”
(L) Alexander Friedmann (R) GeorgesLemaître
观测！观测！宇宙学的发展悄悄的让天文观测呈现出前所未见的紧迫性，即使不考虑当时还只能算是异端学说的小众的宇宙演化论，稳恒的宇宙同样需要更多的实测证据。那么此时此刻的天文学正在干什么呢？一场史无前例的大辩论正在占据这个舞台的中心，辩论的题目是星云究竟是银河系外新的星系还是银河系内披着薄纱的恒星。再简单点来说就是星云在不在银河系内。辩论双方的阵容异常强大。1920年4月，一场货真价实的面对面的交锋甚至在美国国家科学院直接上演，利克天文台的大权威希伯·柯蒂斯对阵密苏里的穷小子哈罗·沙普利。柯蒂斯成名已久且个性强势，沙普利呢则总是有些迷迷糊糊，甚至连他本人为何选择天文学也是迷迷糊糊的。原本他想学的新闻学课程被取消了，因此沙普利要找一门新课代替。他翻开课表，在第一页上看到了考古学的名称，“我擦，这个词我不会念哎！下一页吧！天文学，这个词会念，就是它了。”就这样，沙普利入了行并逐渐成长为威尔逊山天文台的耀眼新星。
这次大辩论从4000公里以外的火车上就已经开始，沙普利和柯蒂斯同乘一辆列车从加利福尼亚赶往华盛顿。整个旅途上，两人不仅要面对注定已提前开始的激烈争辩，还要顾及到稍后在正式会议上各自的发言而不得不有所保留。完全想象得出当时两人心中的尴尬，于是沙普利甚至趁着中途停车的空档下车去捉蚂蚁。然而事实上，无论是主张星云就在银河系内的沙普利，还是认为星云远超银河系范围的柯蒂斯，在这次万众瞩目的大辩论赛上谁都没有取得明显的的胜利。原因很简单，双方都缺乏强有力的证据。原本最有可能分出胜负的一个实际观测结果来自于1885年仙女座星云中出现的一颗新星。所谓新星，不是新的恒星，而是指一颗原本很黯淡但突然间变亮的恒星。这颗行星的亮度大约是仙女座星云平均亮度的十分之一。如果星云就是若干个系内恒星的话，这个结果很好解释，一颗星当然可以是几颗星的十分之一亮；但如果仙女座星云是一个巨大星系的话，那仙女座就将有亿万颗璀璨夺目的恒星置身其间，具有其光亮度十分之一的新星应该也代表着亿万颗恒星，可如此一来，它的亮度应该是亿万颗恒星的加总，沙普利认为这是荒谬的。而柯蒂斯则觉得这不仅不荒谬而且恰好是自己一方的有力证据，代表那么多的恒星又那么暗，原因就是距离太远了嘛！仙女座是如此的遥远所以它不可能属于银河系。同一个证据，完全相反的解读，矛盾的本质在于天文学家还没有找到可靠的天文测距技术。
大辩论
当时的光学天文望远镜已经造到了极大，再增大尺寸将面临诸多工艺方面的挑战。许多人都对天文观测技术继续发展的前景感到悲观。在《天堂的故事》一书中，作家罗伯特·鲍尔写道：“我们已经到达了这样一个点，人的智力开始无法让他看清前途。”然而看不清前途的不是人类而是作家自己，不久之后，一个天才的聋哑人在“眨眼的恶魔”的帮助下将会成功的改变这一切。
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作者：西蒙·辛格
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