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物理學(xué)家 天文學(xué)中早已被推翻, 但還被普通民眾視為常識(shí)的理論

比如2017年底在一次科普活動(dòng)中，有一位年長的院士參與我們的座談。有觀眾提問，為什么說是宇宙大爆炸？這位院士說，在他年輕的時(shí)候?qū)W習(xí)毛選，毛主席從哲學(xué)家的角度認(rèn)為宇宙是無窮無盡的，哲學(xué)家的觀點(diǎn)是那樣的；哲學(xué)家和科學(xué)家各有不同的觀點(diǎn)。其實(shí)他這個(gè)解釋是個(gè)典型的誤解。從根源上來說，無限宇宙不是來自哲學(xué)觀念，而是來自牛頓力學(xué)的推測，是已經(jīng)被“大爆炸宇宙學(xué)”推翻的觀念。1、無限宇宙是牛頓的推測牛頓在1687年出版了他的劃時(shí)代名著《自然哲學(xué)中的數(shù)學(xué)原理》，提出了運(yùn)動(dòng)三定律和萬有引力定律，證明月亮圍繞地球運(yùn)動(dòng)和蘋果落地遵守同樣的科學(xué)規(guī)律，從而第一次把天上地下的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來，改變?nèi)藗儗?duì)自然界的認(rèn)識(shí)。《原理》的第二版編輯、劍橋大學(xué)三一學(xué)院院長理查德·本特利向牛頓提出了一個(gè)問題，萬有引力可以解釋太陽系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，那么如果應(yīng)用于整個(gè)恒星世界，在吸引力的作用下，它們是否會(huì)被撕裂或撞到一起導(dǎo)致宇宙的毀滅？物理學(xué)家 天文學(xué)中早已被推翻, 但還被普通民眾視為常識(shí)的理論
文章插圖
牛頓仔細(xì)思考了這個(gè)問題，在回信中，他認(rèn)為如果僅有萬有引力主導(dǎo)的話，我們的宇宙看起來又是永恒的和靜態(tài)的，那么宇宙應(yīng)該是無限而且完全均勻的；在這樣條件下，任何一顆恒星都會(huì)受到各個(gè)方向均等的引力作用，所有的力都是平衡的。因此，牛頓推測，宇宙空間無窮無盡，時(shí)間均勻流動(dòng)，沒有起點(diǎn)也沒有終點(diǎn)。不過，牛頓也承認(rèn)，盡管在數(shù)學(xué)上來說，宇宙應(yīng)該是無限的，但這種理想模型是不穩(wěn)定的，恒星略微晃動(dòng)，就會(huì)引起宇宙的崩塌。所以他只好祈求“神的力量”偶爾干涉一下，使宇宙保持穩(wěn)定。對(duì)于牛頓和當(dāng)時(shí)的人們來說，這種絕對(duì)時(shí)空、無限宇宙是可以接受的。畢竟，永恒這個(gè)概念是符合古希臘以來的哲學(xué)觀念，數(shù)千年來的星空也總是那樣平靜安詳，不曾發(fā)生（顯著）的變化，宇宙看起來永遠(yuǎn)都是那個(gè)樣子。因此，雖然牛頓的解釋并不完善，雖然哈雷很快就發(fā)現(xiàn)了恒星本身也在發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，隨著牛頓物理學(xué)的發(fā)展壯大，“無限宇宙觀”還是被普遍接受，進(jìn)而成為包括馬克思在內(nèi)的哲學(xué)家們討論世界規(guī)律的基礎(chǔ)。后來在筆者從事科學(xué)傳播活動(dòng)中，也碰到很多年長者就像開頭說到的那位院士一樣，對(duì)“宇宙大爆炸”困惑不已。因?yàn)檫@跟他們（包括我）在求學(xué)時(shí)代學(xué)到的馬哲里“無限宇宙”觀念是相違背的——其實(shí)它的根源不是哲學(xué)，而是牛頓自己也不敢肯定的一種推測。2、為什么是宇宙大爆炸“無限宇宙觀”既然被普遍接受，也就有了它的生命力，甚至反過來影響科學(xué)家們對(duì)宇宙的討論。即使到了20世紀(jì)初，愛因斯坦也“深受其害”。愛因斯坦在1905年發(fā)表的狹義相對(duì)論推翻了牛頓“絕對(duì)時(shí)空”，證明時(shí)間和空間的性質(zhì)并非像牛頓設(shè)想的那樣，而是彼此有聯(lián)系的，從而創(chuàng)造了“時(shí)空”（spacetime）這個(gè)詞；1915年完成的廣義相對(duì)論，又更新了引力理論，證明牛頓萬有引力定律只是在引力不太強(qiáng)的條件下適用。廣義相對(duì)論很快就有了兩個(gè)強(qiáng)有力的證明，一是愛因斯坦親自計(jì)算解釋了困惑天文學(xué)家數(shù)十年的水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)問題，二是1919年愛丁頓對(duì)日全食的觀測驗(yàn)證了愛因斯坦關(guān)于星光從太陽旁邊經(jīng)過時(shí)的路徑偏折現(xiàn)象，在兩個(gè)問題上，廣義相對(duì)論的計(jì)算結(jié)果都是完美的，牛頓理論都不能勝任。但在“宇宙”這個(gè)問題上，愛因斯坦卻犯下了“最大的錯(cuò)誤”。在1915年的時(shí)候，愛因斯坦就已經(jīng)意識(shí)到，就像牛頓認(rèn)識(shí)到的一樣，在廣義相對(duì)論框架下，宇宙同樣不應(yīng)該是靜態(tài)的。但是愛因斯坦仍然把牛頓時(shí)代形成的“無限宇宙”作為了默認(rèn)的事實(shí)，在1917年的論文《使用廣義相對(duì)論的宇宙學(xué)思考》（Cosmological Considerations in the General Theory of Relativity）中，他往方程里添加了一項(xiàng)“宇宙學(xué)常數(shù)”。這是一個(gè)反引力項(xiàng)，從而跟物質(zhì)之間的引力達(dá)到平衡，讓宇宙“穩(wěn)定”下來。愛因斯坦這個(gè)“畫蛇添足”的動(dòng)作，讓他跟發(fā)現(xiàn)“宇宙不穩(wěn)定”失之交臂。不過，愛因斯坦這個(gè)錯(cuò)誤是可以理解的。畢竟，在這個(gè)時(shí)候，就像牛頓一樣，科學(xué)家們還沒有發(fā)現(xiàn)星空里的劇烈變化。在這個(gè)時(shí)期，揭示恒星演化規(guī)律的“赫羅圖”才剛剛發(fā)表，天文學(xué)家們還沒有理解恒星究竟是如何演化的，連它們的能量來源都不知道；而且，從宇宙尺度上來說，組成宇宙的基本“團(tuán)塊”并不是恒星，而是星系——一直到1924年，哈勃才通過對(duì)造父變星的觀測證明仙女星云是河外星系，是跟我們銀河系同等量級(jí)的恒星集團(tuán)。

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