宇宙膨胀背后的故事(之九)

一个天主教牧师的全新宇宙观

1920年沙普利与柯蒂斯的大辩论主题是“宇宙的尺寸”,焦点在于那些神秘的星云是银河内部的气体尘埃还是银河外部、与银河类似的“岛屿宇宙”。在众多的分歧、论据中,柯蒂斯也曾提到光谱测量已经发现一些星云有着异乎寻常的径向速度,似乎不可能是在银河内部的运动。

他们没有在这上面多费口舌。如果发挥一下想像,沙普利大概可以现成地把柯蒂斯的那句“需要更多的数据”原话奉还:那时候两人都对光谱数据摸不着头脑,也就无从可辩。及至5年后哈勃的距离测量为他们的辩论划上句号,如何理解光谱依然是个悬而未解的谜。


柯蒂斯引述的光谱数据来自他所在的利克天文台的死对头:美国西南部亚利桑那州的洛威尔天文台。

也是在十九世纪末,出身于波士顿富豪世家的洛威尔(Percival Lowell)染上天文热,独自出资修建了那个天文台。洛威尔天文台虽然没有最大的望远镜,但其所在的海拔高度比利克及后来的威尔逊山天文台都更高,有着更好的气候环境。在威尔逊山开张之前,洛威尔和利克这两家最早的高海拔天文台是既合作又竞争的小伙伴,经常在圈子里打得不可开交。

洛威尔最初是受到了有人看到火星表面有沟渠结构、疑似火星人存在的蛊惑1。他的初衷是观测火星及其它太阳系行星的大气成分,确定是否含有生命赖以存在的水。为此,他花钱为天文台安装了一个特制的光谱仪。2

虽然财大气粗、刚愎自用,洛威尔却有一定的自知之明。与同时代的美国富豪一样,他深知欧洲贵族那个在自家后院看星星的时代已经消逝,取而代之的是专业人士的竞技。他选中了刚刚从印第安纳大学毕业的斯里弗(Vesto Slipher)常驻天文台,负责观测。洛威尔则以频繁的书信、电报远程操纵。在为洛威尔看星星的同时,斯里弗还要替他种植、管理天文台的一片蔬果园。

初出茅庐的斯里弗性格憨厚,顺从而兢兢业业地完成老板交给的每项任务,包括邮寄新收获的瓜果。就在他花费一番苦功终于掌握了光谱拍摄的技巧时,洛威尔心血来潮,指示他拍摄仙女星云的光谱。


自从英国的哈金斯在19世纪发现星星的光谱中存在多普勒效应后,拍摄星云的光谱一直是天文学界的挑战。即使拥有20世纪初强大的望远镜,星云模糊的光强依然不足以留下可辨的谱线照片。斯里弗不愿辜负老板厚望,没有条件创造条件也要上,对望远镜、色散棱镜、照相机等进行全面彻底的革新改造以增大能到达底片的光量。他经常连续几个晚上甚至几个星期曝光同一张底片,铢积寸累地采光。

1912年的最后几个晚上,他经过连续苦战终于得到一张清晰的仙女星云光谱照片。过年后,他又重复拍了几张验证,才公开了测量结果:他发现仙女星云正以每秒300公里的速度向着我们所在的太阳系奔来。

斯里弗拍摄的仙女星云光谱线(中)。底片上有同时拍摄的、在望远镜旁燃烧的铁和钒蒸汽发出的光谱线作为对照。二者(在显微镜下)比较可以测出星云光谱中特征谱线的位移。

哈金斯当年测出御夫星的速度达每秒30公里,已经震惊了世界。斯里弗发现的星云速度又高出了十倍。不仅如此,他很快又发现处女座(Virgo)方位的另一个星云3在以每秒1000公里速度背离我们而去。

与他的老板洛威尔正相反,斯里弗为人低调内向。他的数据只是陆续在自己天文台的通讯上发表,没有四处张扬,甚至连天文学界的常规学术会议都不去参加。例外的是在1914年8月,他下山出席了在西北大学举行的美国天文学会年会,做了一个题为《星云的光谱观察》4的讲演。这时,他已经有15个不同星云的数据。它们之中只有3个在朝向地球奔来,其它12个却都在离我们而去。无论往哪个方向,它们的速度都非常大,平均值是过去测得星星速度的25倍。

会场上的听众全体起立,赋予斯里弗一片响亮的掌声。这是学术会议上颇为罕见的场景。一直对他的能力、数据可信度颇有疑虑的利克天文台的台长这时也禁不住为这一成就赞不绝口。5

虽然斯里弗的数据令人印象深刻,却没有人能够解释个中奥秘。远在英国的爱丁顿在他《相对论的数学理论》6一书中将这些数据做了详细列表,指出这可能会是对于宇宙结构最具启发性的数据。这本教科书在天文学界广为流传,也捎带着在欧洲推广了斯里弗的发现。

然而,揣摩出其中奥妙的,却还是那时正好在爱丁顿身边的一个默默无名年轻人,一个天主教牧师兼理论物理学家。


勒梅特(Georges Lemaitre)是比利时的耶稣会(Jesuit)信徒,从小在教会学校长大。他17岁刚上大学时赶上第一次世界大战,当即参军担任炮兵军官,因表现赢得军功章。战后,他回到天主教鲁汶大学,很快在1920年获得数学博士学位。然后,他转入神学院进修,在1923年正式成为牧师。

同年,勒梅特赢得一份奖学金,先到英国的剑桥大学跟随爱丁顿学习现代宇宙学。爱丁顿对刚刚30岁的勒梅特颇为欣赏,在圈子内外到处夸耀他的才干。

一年后,勒梅特又渡过大西洋,来到美国的哈佛天文台拜沙普利为师。这时他希望能得到一个货真价实的博士学位7。因为天文台尚未有授予博士学位的资格,他挂名在就近的麻省理工学院做研究生。

在哈佛,他一边师从沙普利学习星云光谱知识,一边继续研究从爱丁顿那里学来的广义相对论宇宙模型。那时,爱因斯坦和德西特分别提出的模型已经问世好几年了,还没有几个人能懂。尤其是德西特的宇宙中似乎莫名其妙出现的光谱红移,让人觉得蹊跷、不解。经过一番数学推演,勒梅特发现了问题所在。

德西特的原意是构造一个没有质量存在、极其简单的宇宙模型。但因为他选错了坐标系统,他的宇宙其实并不像他所声称的那样有各处一样的对称,而是有着一个特别、不应该存在的中心点。是因为这个人为的不对称,才导致了“红移”。8

1925年元旦那天,他坐在听众席中聆听了罗素宣读哈勃星云测量的论文,印象深刻9。当在座者为哈勃揭示的宇宙尺度之大而惊叹、兴奋之际,他已经在思考下一步:如果把星云的距离与速度结合起来,有可能构造出全面的宇宙图像。

那年春天,他在美国物理学会年会上提交了一篇论文指出德西特的错误后便离开了哈佛。他先穿越美国旅行,到西部分别拜访了斯里弗和哈勃,然后回国在鲁汶大学任教,继续研究宇宙模型。这时,他已经具备一个独特的优势:既能在数学上搞明白爱因斯坦、德西特那些繁杂的理论,又在爱丁顿、沙普利指导下透彻地理解了星云光谱测量的现实数据。

不到两年,他取得了历史性的突破。他以此撰写的论文有一个长长的标题,几乎就是论文的提要:《一个可以解释系外星云径向速度的质量恒定而半径在增长的均匀宇宙》10。论文以法语写就,发表在基本上没人会注意的《布鲁塞尔科学学会年鉴》11上。


论文问世后不久的1927年10月,第5届——也是最著名的一届——索尔维会议在布鲁塞尔召开。协助接待的勒梅特有机会拜见了前来赴会的爱因斯坦。爱因斯坦说已经在人提醒下看到了那篇论文,并告诉他几年前苏联人弗里德曼发表过类似的宇宙模型。

尽管弗里德曼曾经与爱因斯坦打过笔墨官司,他们的宇宙模型讨论只是寥寥无几的理论物理学家小圈子里的争论。即使是已经在剑桥、哈佛镀过金的勒梅特对弗里德曼的工作依然一无所知。

而爱因斯坦在经历过草率批驳弗里德曼的挫折后至少对广义相对论的数学可能性有了新的认识,但对弗里德曼提出的模型还是一如既往的深恶痛绝。这时他更是毫不客气地对面前年轻的牧师评价道:“你的数学没问题,但你的物理直觉实在糟糕透顶。”12

让爱因斯坦觉得糟糕透顶的,就是勒梅特在论文标题里旗帜鲜明地提出的,一个“半径在增长”的宇宙——非恒定的、在膨胀中的宇宙。

勒梅特所提出的宇宙的确就是弗里德曼当初已经发现的广义相对论可能允许的几个模型之一。但与弗里德曼纯粹的数学研讨不同,勒梅特研究的是我们所在的真实的宇宙,即“可以解释星云径向速度”的宇宙。

当牛顿在17世纪创立经典力学时,他最辉煌的成就体现在对太阳系——当时人类所能把握的宇宙——动力学的准确描述。13爱因斯坦发明的广义相对论也在光线弯曲、水星近日点进动上通过了实际验证,但他的宇宙模型十年来却一直只是纸上谈兵,与我们眼前的宇宙、与天文望远镜中看到的星体分布没有半点瓜葛。

的确,当勒梅特试图与爱因斯坦讨论斯里弗的光谱数据时,他惊讶地发现爱因斯坦对当时天文观测结果几乎一无所知,也没有什么兴趣。

而恰恰是这个“物理直觉实在糟糕透顶”的勒梅特让爱因斯坦的抽象宇宙理论与现实的数据挂上了钩。因为勒梅特不仅仅独立于弗里德曼找出了一个膨胀中宇宙的解,他还为斯里弗所测的星云径向速度提出了新颖的解释。

与爱因斯坦、德西特坚持宇宙恒定不变相反,勒梅特像弗里德曼一样允许宇宙的大小随时间而变。他发现,如果宇宙随时间变大,场方程中的时空度规会整体性地随之变化,不同地点之间的距离也随之增长。这样,从一个地点发出的光到达另一个地点时自然地因为多普勒效应而发生红移,红移的程度与两点之间的距离成正比。

这样的一个定量关系可以直接通过天文数据验证。勒梅特撰写论文时,已经有42个星云既有斯里弗测量的速度,也有哈勃测出的距离。把数据列表后,他发现速度与距离之间果然存在明显的正比关联。由此他还推算出二者的比例系数。

于是,勒梅特的宇宙模型不再是天马行空的猜想,而有了现实的验证。

勒梅特还进一步诠释了星云光谱红移的来源和含义:宇宙在膨胀,其各个地点的尺度都随时间增大。星云不是在逃离我们,它们不是自己在高速运动,而是它们与我们之间的空间在膨胀、距离在拉长。

想像一个正在被逐渐吹大的气球。气球上任何两个点之间的距离都随着球体的膨胀在增大,但每个点相对于气球的表面却都是静止的。勒梅特宇宙的空间就是这样的一个膨胀中的气球,星星、星系、星云都是这个气球上的点。它们自己没有在运动,但被膨胀的气球表面承载着,彼此之间距离越来越大,似乎是在互相逃离。

我们看到几乎所有的星云都在离我们远去,也不意味着我们所在的太阳系或银河是宇宙膨胀的中心。14在一个均匀膨胀的宇宙中,犹如在吹大中的气球表面,任何地点都会看到所有其它点在离它远去。我们所在之处并不特殊。


也许是因为遭到了爱因斯坦的当头一棒,勒梅特在其后两年中没有再谈论他的宇宙。就在那场对话的半年后,德西特在一次学术会议上也表现出对勒梅特不以为然,觉得在这样专业的课题上不值得为一个名不见经传的小字辈浪费时间。

至少暂时性的,勒梅特这篇划时代的论文如同被藏于深巷的美酒,无人问津。

(待续)

系列目录

1

其天文台所在地因此被命名为“火星岭”。

2

今天,洛威尔天文台最为人所知的是后来在1930年发现冥王星。

3

NGC4594,现在也称作“墨西哥草帽星系”:Sombrero Galaxy

4

Spectrographic Observations of Nebulae

5

利克天文台事后也发现他们自己的Edward Fath其实在几年前就看到了同样的光谱,但因为觉得过于“离谱”而怀疑是仪器出了问题,没有进一步研究。

6

The Mathematical Theory of Relativity

7

那时比利时的博士要求比较低,不怎么被外界认可。

8

《捕捉引力波背后的故事》的读者可能还记得坐标系选择是广义相对论研究中屡屡出现的陷阱。

9

也许他记忆有差,也许是语言障碍,他以为当时听的是哈勃本人的讲演。

10

A homogeneous Universe of constant mass and growing radius accounting for the radial velocity of extragalactic nebulae

11

Annals of the Scientific Society of Brussels

12

Your calculations are correct, but your physical insight is atrocious.

13

当然,牛顿得天独厚:行星运动没有摩擦阻力,绝大多数情况下可以近似为数学上最简单的二体问题。

14

个别的星系——比如仙女星云——在反潮流般向我们奔来。那是因为它们与我们相距比较近,能够感受到彼此的引力作用。星系因为引力——空间弯曲——而靠近,只是局部的物理运动。