我們這樣認識宇宙（下）

七、

上次說到狹義相對論的提出為物理學帶來了新的空氣，也將不可一世的人類拉回了現實。如果說相對論讓整個經典力學體系顫慄不已的話，那同樣是二十世紀初萌生的另一個理論則徹底推翻了經典力學的絕對統治，結束了那個人類自以為無所不知、無所不能的黃金時代。一切都要從開爾文的那次著名的演講說起。

英國著名科學家開爾文勛爵在十九世紀末說出了他那句著名的話：「物理學晴朗的天空上只漂浮著兩朵烏雲。」也就是說有兩個當時的物理學難以解釋的現象。我們已經知道，其中的一個是尋找以太的邁克爾遜-莫雷實驗，引發了相對論的誕生，那麼另一朵烏雲又代指什麼呢？

原來，在物理學中一直存在一個令人費解的現象，那就是有關於黑體輻射的問題。什麼是黑體呢？黑體是物理學家們設想的一種理想狀態，這種物體只吸收輻射卻不對其進行反射和折射。但是在現實中，這種理想化的模型是不存在的，無論什麼物體都要將輻射反射回去一部分，而對於這部分的輻射，經典力學在進行描述時卻遇到了許多的困難。自從十九世紀初人類發現除可見光之外的其他波段以來，能量分布問題就一直困擾著物理學界。我們知道，可見光是一種電磁波，但是卻僅僅是電磁波大家族中的一個晚輩。如果我們把可見光的波段（從紅光到紫光）的長度比作一架鋼琴的琴鍵排列起來的長度的話，那整個電磁波波段的長度就是一排長長的琴鍵，其長度足以從地球一直排到太陽。

這樣的話問題就來了，這麼龐大的電磁波家族，究竟哪個波段是能量最集中的波段呢？物理學家們進行了多年的探索，總結出了兩個經驗性很強的能量分布公式——瑞利-金斯公式和維恩公式。但是這兩個公式一個適用於長波，一個適用於短波，就像兩種寬度不同的鐵軌，能量的列車是不能在這種不連接的鐵軌上行駛的。這個問題被一個叫馬克斯·普朗克的德國人注意到了，他用了許多方法都無法找到對於能量分布普遍適用的規律。於是他大膽假設，會不會是經典力學中對於能量的基本假設有錯誤呢？經典力學中假設能量的傳遞是連續的，這也符合我們日常生活的經驗，一杯水的溫度從高到低是一個過程，總不會是不連續的吧？

但是普朗克正是從這個基本假設入手，他假設能量的傳遞不是連續的，而是分散的，是一份一份的。也就是說，能量的傳遞有一個最小的基本單位，任何規模的能量都只能是這個單位的整數倍。普朗克把這個最小的基本單位叫做「能量子」，後來的物理學家簡稱其為「量子」。在這種假設的基礎上，普朗克對能量分布重新進行了分析，發現了可以把只能試用於不同波長的兩個經驗公式統一起來的方法，解決了困擾物理學界許多年的這個難題。但是普朗克的理論在當時卻沒有多少人支持，因為他的假設實在是太難讓人信服了，能量有最小單位，那這個世界會變成什麼樣？

就在普朗克的理論飽受質疑的時候，另一位科學家此時提出的理論卻幫助他日後獲得了諾貝爾物理學獎，這就是愛因斯坦用光量子解釋光電效應的理論。我們知道，愛因斯坦在光是粒子這一假設上成功解釋了光電效應，可是這是否就說明光真的是一種粒子呢？支持波動說的科學家們並不這麼認為，要知道，波動說曾經打敗粒子說憑藉的正是那無可辯駁的實驗結果：光的雙縫干涉實驗。1830年，英國物理學家托馬斯·楊發現一束光在通過雙縫時會發生干涉現象，而干涉正是波具有的特性，如果光是一種粒子，那怎麼又能產生像波一樣的干涉，怎麼會出現兩束光疊加卻出現陰影的情況呢？但是如果光是一種波，為什麼它的傳播不需要介質呢？人類的物理學此時彷彿走進了一個死胡同，關於光本質的問題足夠讓人大傷腦筋的了。似乎唯一合理的解釋就是光同時具有這兩種物體的性質——光既是粒子又是波。可是這可能嗎？

這個疑問被後來的另一個實驗打消了，那就是電子衍射實驗。電子作為人們發現的第一種比原子小的粒子，也能發生只有波才具有的衍射現象。至此，物理學家們接受了物質同時具有波和粒子兩種性質的觀點——波粒二象性。這樣一來，人們傳統認識中的電磁波也自然而然地具有了粒子的特性——分散而不連續。普朗克的能量子觀點所描述的正是這樣的事實。他的理論後來經過許多著名的物理學家們的發展和完善，形成了現代物理學的兩大支柱之一——量子力學，而普朗克則被尊為量子力學的創始人。

我們在這裡就不過多地探討量子力學中的世界，因為那個世界實在是太奇妙、太抽象、太不可思議了。舉個例子，我們在前面提到了電子衍射實驗，說明電子是一種波。但當科學家們進行電子的雙縫干涉實驗（同為驗證波特性的實驗）時，驚奇地發現電子竟然能自己和自己發生干涉，也就是說電子分身般地同時穿過了兩條狹縫。這裡的分身並不是單純的概率，不是「電子通過兩條狹縫的概率各為百分之五十」，而是電子確實同時穿過了兩條狹縫。讓一個人分身有術似乎不太現實，但電子的確可以做到，這就是量子力學中著名的不確定性原理，科學家們把電子的這種狀態稱為「疊加態」。是不是覺得不可思議？但這還只是量子力學為我們呈現的世界中的一小部分罷了。

神奇的量子力學徹底顛覆了經典力學對於微觀領域運動和力的描述，它創立了微觀領域自己的行為準則，它把整個宇宙劃分為十二種基本粒子，甚至把人類的自由意志也加入到了這個體系中來，而遍布在這個宇宙中的卻是捉摸不透的不確定性和概率波，量子力學也因此變得既模糊又唯心。在量子力學的世界中，宇宙不再井井有序，物理學不再全知全能，而人類的意識也不僅僅是旁觀宇宙發展的獨立存在，微觀粒子的行為是完全不可預測的，物理學就像折了翅膀的蝴蝶，面對湛藍的天空發出無聲的感嘆。但是最近的實驗結果卻最終向我們證明了一件事情——量子力學是正確的。它同時也在告訴人類，永遠不要小看宇宙的複雜程度。

我們再看看人類認識宇宙的旅程現在怎麼樣了。哈勃的發現告訴人類宇宙在膨脹，而美國宇宙學家伽莫夫則在此基礎上發展了系統的大爆炸宇宙學。這套理論認為宇宙始於147億年前的那次創世大爆炸。在那之前呢？宇宙學家們會告訴你，這個問題是沒有意義的，因為在那之前時間還沒有產生，空間也只是無限小的一個點，宇宙的齒輪還未開始轉動，宇宙的程序也還沒開始運行，我們的重點只放在大爆炸和以後的宇宙上。宇宙的那次大爆炸並不是我們通常理解的爆炸，而是一種空間的急劇膨脹，伴隨著這個過程的是基本粒子的誕生、宇宙的暴漲、物質和反物質的大戰。最後組成今天宇宙的物質憑藉微弱的數量優勢險勝，宇宙才有了今天的模樣。聽起來好像挺好玩的，宇宙的開端真的是這樣嗎？

1964年，美國貝爾實驗室的兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜為了接受並研究「回聲」衛星的信號，假設了一個喇叭形的天線。可是他們發現天線接收到的訊號中總有一種噪音，無論用什麼樣的濾波手段都無法去除。後來他們又轉動天線，發現在不同時間、不同方向上，這種噪音總是一如既往地存在。有一天，二人檢查天線時終於發現了噪音的來源，那就是居住在天線里的一窩鴿子。他們趕走了鴿子，清理了天線，心想這下總算能拜託雜訊的困擾了，但是這雜訊就像膏藥一樣緊緊貼在了接受到的訊號中，看來鴿子也不是雜訊的來源。終於，他們嘗試了所有的方法，依然無法擺脫這個噪音。後來，他們將這個發現告訴了當時的物理學界，其實這正是宇宙學家們苦苦尋找的大爆炸的證據——創世大爆炸的餘溫。原來，這種雜訊干擾之所以具有驚人的各向同性（就是信號不隨方向變化），之所以如此頑固，就是因為它是宇宙中無處不在的特性。後來，天文學家們經過精確的測量，發現這個波段的能量代表3K（熱力學溫度開爾文）的溫度，這也正是宇宙的溫度。原來147億年前，大爆炸讓宇宙的溫度急劇升高，後來隨著時間的推移才慢慢冷卻，直到今天，還殘留著3度的餘溫，它還有一個在宇宙學界家喻戶曉的名字——宇宙微波背景輻射。

人類在相對論和量子力學的支撐下逐漸撥開了眼前的重重迷霧，推開了宇宙秘密塵封147億年的大門，探測到了我們的宇宙的第一次心跳、第一次呼吸，還感覺到了宇宙大爆炸這麼多年過後淡淡的餘溫。有的人說大爆炸理論同當年的日心說和地心說一樣幼稚而片面，也許這種說法是正確的，但至少我們距離真理又近了一步，距離宇宙的真面目又近了一步，距離科學海洋的彼岸又近了一步。

愛因斯坦曾經想發現一套萬能的理論，想要用它來解釋宇宙中的一切——真正意義上的一切，但是他的努力卻以失敗告終。在他感到這樣的一套大統一理論遙不可及的時候，他發出了這樣的感嘆：「就連窗外的每一片綠葉，都使人類的科學顯得那樣幼稚而無力。」他這句話沒有錯，人類目前的科學確實無法準確解釋一片樹葉中發生的一切，但我們還有大把的時間，科學的進步也正在一天天加速。今天最前沿的科學進展到了什麼程度，我們對於宇宙已經取得了那些最新的理解呢？且看下回分解。

八、

上次我們說到量子力學和相對論成為了人類物理學的兩大支柱，人類最前沿的物理學實驗基本上都是圍繞這兩個理論以及其他衍生出來的理論進行的。但是牛頓的經典物理仍然支配著宇宙中很大一部分的物理規律，經典物理鐵一般的法則仍然是這個宇宙不可或缺的一部分。牛頓的萬有引力定律揭示了萬有引力在物體間的作用規律，而這個規律就算在宇宙的盡頭都是適用的。這樣問題就來了，既然宇宙中的物體彼此之間都有引力的作用，彼此之間都在相互吸引，而哈勃的發現告訴我們宇宙在膨脹，而天體間的引力使得它們彼此靠近，這與膨脹固然是互逆的。因此二十世紀後半葉宇宙學家們普遍有一種觀點，那就是宇宙的膨脹是在減速的。

1998年，美國的三位天文學家通過觀測遙遠超新星測量了宇宙膨脹的速度。當他們得出結果的時候，物理學界所有信心滿滿的人們都吃驚不已。結果顯示宇宙的膨脹並沒有減速，正相反，我們的宇宙正在加速膨脹。這一測量結果一石激起千層浪，為什麼我們的宇宙在加速膨脹？難道萬有引力定律失去了作用？由此科學家們提出了「暗能量」的概念。他們認為既然宇宙在加速膨脹，那必然有一種斥力在對抗天體間的萬有引力，他們假設提供這種斥力的就是暗能量。遺憾的是，直到今天，暗能量依然存在於人類的假設中，就像當年的以太一樣，人類湊出了它的各種參數來使自己束縛宇宙的方程看起來堅不可摧，可是也許宇宙早就分身有術，這幾個方程可能只不過是人類自己在騙自己罷了。或者說，它們束縛的僅僅是宇宙中的「物質」，沒錯，宇宙中除了我們常見的物質還有別的。在最新的宇宙模型中，我們的宇宙中像我們這樣的物質只佔到了總質量的百分之四，而其餘部分則是由暗物質和暗能量組成，人類對於這兩種存在的認識水平彷彿是當年托勒密和哥白尼遙望橫跨天宇的銀河，甚至連它的真面目都還沒有見到。但是人類對於構成我們自身和宇宙百分之四的物質卻有著比較全面的認識，這也是幾千年來人類認識宇宙所取得的成果——百分之四。

但就是這百分之四也承載著人類不懈的探索和一次又一次對自我的重新認識。現在我們知道了許多事情，許多在伽利略和牛頓的時代只能和上帝相提並論的理論。例如人類構建了完整的恆星演化模型，使這些龐然大物跑不出人類方程式的約束；人類還了解了微觀尺度下粒子的基本構成和運動狀態，讓這些捉摸不定的小傢伙也處在人類的掌控之中；人類同樣認識到了我們自身在宇宙中的位置，明白了「我們從哪裡來」和「螞蟻從哪裡來」其實有著完全相同的答案；就連整個宇宙的演化歷史我們都有了精確的模擬，完全可以自己在計算機中再現宇宙147億年前的那次創世大爆炸。同樣，人類不了解的事情也有很多。什麼是時間？什麼是空間？超越光速可能嗎？時間旅行又是否有一天能變成現實？組成物質的最小單位是什麼？宇宙最後又會有什麼樣的結局呢？這樣的問題可以一直問下去，恐怕問到時間終結的那天都沒有盡頭。這些問題也正是激勵人類繼續認識宇宙，繼續在真理的大海上航行的不竭動力。

在今天的宇宙學中，有關於黑洞和統一場論的研究正熱火朝天地進行著，這其中的幾位科學家我們一定都不陌生。史蒂芬·霍金、理查德·費恩曼等人提出的許多理論已經能很好地解釋關於黑洞和其他困擾人類多年的宇宙學問題，那些理論都十分超前，有的甚至被稱作「二十二世紀的理論」，但它們也是人類在探索宇宙道路上邁出的偉大一步。我們在這裡只給大家舉一個簡單的例子，讓大家領略一下現今宇宙學和天體物理學發展的高度。

這個理論與一種特殊的天體——黑洞有關。提起黑洞，大家想到的肯定是宇宙邊緣遙遠而神秘的天體，其實我們許多人對於黑洞都有不少誤解。我們先簡單介紹一下黑洞的成因，黑洞是大質量恆星（超過太陽質量數倍）在聚變燃料耗盡之後，在恆星自身萬有引力的作用下猛烈坍縮成的極其緻密的天體，天文學家們把物質能夠逃脫黑洞引力的臨界範圍稱作黑洞的事件視界。或者說，視界外的物理能夠遠離黑洞，而視界內的則無法逃脫被黑洞捕獲的命運。黑洞的引力如此之大，以至於連光都無法逃脫（這也正是我們無法直接觀測到黑洞的原因——沒有任何的光線能從黑洞到達我們的眼睛），也就是說宇宙中的任何物質都無法逃脫黑洞，那豈不是整個宇宙最後都要被黑洞吸進它的「肚子」中嗎？這也是黑洞這個模型長久以來存在的問題之一。

而英國宇宙學家，身殘志堅的史蒂芬·霍金教授在量子力學的基礎上提出的理論完美地解決了這個問題。原來，量子力學告訴我們，真空並不像我們想像的那樣空無一物，而是充滿著各種無處不在的粒子和能量。這些能量被稱作「真空能」，而這些粒子則被物理學家們稱作「虛粒子對」，這些粒子對由一種粒子和它的反粒子組成（正粒子帶有正能量，反粒子帶有負能量），它們瞬間出現，又在很短的時間內湮滅（即正反粒子對相遇，轉化為純粹能量的過程），根據量子力學，這樣的過程並不違反能量轉移與守恆定律。那麼，我們假設現在在黑洞的視界周圍出現了這樣的虛粒子對（實際上每時每刻都在有），由於黑洞的引力，虛粒子對無非有以下幾種情況：1、正反粒子均逃離黑洞，2、正反粒子均落入黑洞，3、正粒子落入黑洞，反粒子飛出，4、反粒子落入黑洞，正粒子飛出。在上述第四種情況中，帶有負能量的粒子進入黑洞，同時帶有正能量的粒子飛出，這不就相當於黑洞在向外放射能量嗎？這樣一來，黑洞也不是一毛不拔，黑洞也會輻射能量，也就是說黑洞有一天也會壽終正寢。霍金的這個理論被稱為「黑洞蒸發」，完美地解決了黑洞在宇宙中持續存在的疑問，通過這個理論我們可以知道，黑洞也有它的壽命，黑洞也不會一直存在下去。是不是很難理解？那是因為就連這個理論的前提與假設都是建立在最近的量子力學和宇宙學研究成果上，因此我們看來好像是虛無縹緲的推演。但是霍金蒸發已經被視為霍金教授提出的最具代表性的研究成果之一，這一理論的意義遠遠不至於此。現今物理學和宇宙學界許多理論都同這個一樣，有的甚至自成一套，也能夠自圓其說。我們不能以現在的標準評判它們正確與否，所有的工作只需要交由時間來進行。

縱觀人類認識宇宙的歷史，就像一個孩子從呱呱墜地到蹣跚學步的過程，一開始我們只能張著無知的眼睛期待宇宙告訴我們它的秘密，結果它只是用幾塊糖就讓人類安靜了下來；後來我們發現原來宇宙的秘密遠不止這幾塊糖，人類開始從搖籃中搖搖晃晃地邁出探索這個世界的步伐，而直到今天，人類仍然在步履蹣跚地用腳步丈量著這個宇宙。仰望科學的銀河，你能看到亞里士多德腦海中圓形的大地，托勒密畫出的本輪和均輪，哥白尼把太陽放在宇宙的中心，開普勒計算火星橢圓的軌道，伽利略舉起手中的望遠鏡；你能聽到哈雷彗星回歸時人們的驚呼，惠更斯發明的擺鐘滴答作響，光的波動說和微粒說之間面紅耳赤的爭執；你能想到牛頓目睹蘋果落地時的沉思，赫歇爾發現天王星時激動的心情，勒威耶計算海王星時列出的方程組，開爾文勛爵做演講時流露的滿腔自信；你還能感覺到愛因斯坦堅持相對論的執著，普朗克創立量子力學的艱辛，哈勃算出宇宙在膨脹時的吃驚，物理學家們在看到電子同時穿過兩條狹縫時的不可思議，當然，還有霍金教授那富有金屬性的聲音，和他那每分鐘只能說十個單詞的輪椅……然而這還不是全部，還有更多人為人類認識宇宙做出過重要的貢獻，但我們不可能記住他們的名字，我們只能知道今天的我們同300多年前的牛頓一樣，同樣是站在巨人的肩膀上來眺望遠方真理的光芒，我們也同牛頓一樣為在真理的大海邊拾到幾枚貝殼而沾沾自喜，真理海洋的怒濤卻還在遠處時隱時現。

因此，我們仍然不能輕視前進路上的障礙，正如美國著名物理學家、弦理論的提出者理查德·費恩曼所說：「我們學習科學的目的不是什麼是已知的，而是什麼是可以被認知的。」 人類數千年積累的經驗一直在告訴我們，千萬不要小看宇宙的複雜程度，千萬不要想當然地認為我們是正確的，也千萬不要覺得物理學已經到頭了。因為一旦人類產生了這樣的思想，宇宙就會在第一時間告訴我們：人類永遠是剛剛走出搖籃，乳臭未乾的那個孩子。

不過美國物理學家康普頓說過這樣一句話：「科學賜予人類最大的禮物是使人類相信真理的力量。」經過幾千年的不懈努力，我們在不斷認識宇宙的同時也在不斷認識我們自己。我們戰勝了自己心中一個又一個敵人，打破了對於未知一次又一次的恐懼。

其實人類在幾千年中的進化程度是極其有限的，我們在用古人的大腦思考未來的問題，但我們卻擁有了比古人多得多的自信，也擁有了比古人多得多的資本。我們同樣更加堅信真理的力量，這股力量曾經帶領人類走出蒙昧，告別蠻荒，迎來文明的曙光；這股力量也曾教會人類用自己的雙手尋找宇宙的真相， 用自己的雙眼目睹物理定律的普適，用自己的大腦挖掘自然最深處的寶藏；今後，人類也只有依靠這股力量才能抵達真理的彼岸，靠這股力量才能了解宇宙最後的秘密。

讓我們解答宇宙的那三個終極問題吧。宇宙從哪裡來：147億年前奇點的大爆炸造就了今天的宇宙。宇宙為什麼會是現在這樣：宇宙中物質、暗物質和暗能量達到平衡，宇宙遵循它自己的物理規律。宇宙將會走向何方：宇宙可能的結局是開放式的（所有星系在永遠的膨脹中分崩離析，最後一刻恆星燃盡，只剩下一片死寂）或是閉合式的（宇宙由膨脹轉為收縮，並收縮為一個奇點，再現創世大爆炸的過程）。這個答案正確嗎？目前來看是的，但這是最終的答案嗎？絕對不是。科學的道路還很長，人類的問題還有很多，但我們可以自己去探索，去找出問題的真相。

曾經有很多人問科學是什麼，自然是什麼，宇宙是什麼。其實這三個問題有著共同的答案，那就是真理。無論附加多麼複雜的說辭，真理總是不會改變的，人類探索或者不探索，都不會影響到真理的存在。科學不是空穴來風，自然也不是亘古不變，宇宙也自會有始有終。任何質疑客觀存在的觀點都會不攻自破，因為事實是最好的答案，事實不容置疑。 人類認識宇宙的歷史就是人類認識科學並使用科學的歷史，這部人類的奮鬥史正在向我們說明，人類可以主宰自己的命運，人類可以做自己的主人。我們今天終於可以這麼說：我們這樣認識宇宙，我們憑藉科學的力量認識宇宙，人類的命運正掌握在我們自己手中。

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