天文學中那些早已被推翻，但還被普通民眾視為常識的理論

孫正凡（@松鼠老孫），天體物理學博士、科學松鼠會創始會員、中國科普作家協會會員

宇宙本身是天文學研究的最大目標。目前，大爆炸宇宙理論，也就是宇宙從一個極小的點上誕生，一直膨脹成長為現在的宇宙，這已經是經過許多觀測證據檢驗和支持，被科學界公認的宇宙演化理論。大爆炸宇宙學誕生於不到一百年前，被科學界公認接受也才五十多年，因此在公眾里還有不少人誤解，以為它僅僅是一種科學假說而已。

比如2017年底在一次科普活動中，有一位年長的院士參與我們的座談。有觀眾提問，為什麼說是宇宙大爆炸？這位院士說，在他年輕的時候學習毛選，毛主席從哲學家的角度認為宇宙是無窮無盡的，哲學家的觀點是那樣的；哲學家和科學家各有不同的觀點。其實他這個解釋是個典型的誤解。從根源上來說，無限宇宙不是來自哲學觀念，而是來自牛頓力學的推測，是已經被「大爆炸宇宙學」推翻的觀念。

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無限宇宙是牛頓的推測

牛頓在1687年出版了他的劃時代名著《自然哲學中的數學原理》，提出了運動三定律和萬有引力定律，證明月亮圍繞地球運動和蘋果落地遵守同樣的科學規律，從而第一次把天上地下的運動統一起來，改變人們對自然界的認識。《原理》的第二版編輯、劍橋大學三一學院院長理查德·本特利向牛頓提出了一個問題，萬有引力可以解釋太陽系的運動規律，那麼如果應用於整個恆星世界，在吸引力的作用下，它們是否會被撕裂或撞到一起導致宇宙的毀滅？

牛頓 《自然哲學中的數學原理》

牛頓仔細思考了這個問題，在回信中，他認為如果僅有萬有引力主導的話，我們的宇宙看起來又是永恆的和靜態的，那麼宇宙應該是無限而且完全均勻的；在這樣條件下，任何一顆恆星都會受到各個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，時間均勻流動，沒有起點也沒有終點。不過，牛頓也承認，儘管在數學上來說，宇宙應該是無限的，但這種理想模型是不穩定的，恆星略微晃動，就會引起宇宙的崩塌。所以他只好祈求「神的力量」偶爾干涉一下，使宇宙保持穩定。

對於牛頓和當時的人們來說，這種絕對時空、無限宇宙是可以接受的。畢竟，永恆這個概念是符合古希臘以來的哲學觀念，數千年來的星空也總是那樣平靜安詳，不曾發生（顯著）的變化，宇宙看起來永遠都是那個樣子。因此，雖然牛頓的解釋並不完善，雖然哈雷很快就發現了恆星本身也在發生相對運動，隨著牛頓物理學的發展壯大，「無限宇宙觀」還是被普遍接受，進而成為包括馬克思在內的哲學家們討論世界規律的基礎。

後來在筆者從事科學傳播活動中，也碰到很多年長者就像開頭說到的那位院士一樣，對「宇宙大爆炸」困惑不已。因為這跟他們（包括我）在求學時代學到的馬哲里「無限宇宙」觀念是相違背的——其實它的根源不是哲學，而是牛頓自己也不敢肯定的一種推測。

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為什麼是宇宙大爆炸

「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家們對宇宙的討論。即使到了20世紀初，愛因斯坦也「深受其害」。

愛因斯坦在1905年發表的狹義相對論推翻了牛頓「絕對時空」，證明時間和空間的性質並非像牛頓設想的那樣，而是彼此有聯繫的，從而創造了「時空」（spacetime）這個詞；1915年完成的廣義相對論，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的條件下適用。廣義相對論很快就有了兩個強有力的證明，一是愛因斯坦親自計算解釋了困惑天文學家數十年的水星近日點進動問題，二是1919年愛丁頓對日全食的觀測驗證了愛因斯坦關於星光從太陽旁邊經過時的路徑偏折現象，在兩個問題上，廣義相對論的計算結果都是完美的，牛頓理論都不能勝任。

但在「宇宙」這個問題上，愛因斯坦卻犯下了「最大的錯誤」。在1915年的時候，愛因斯坦就已經意識到，就像牛頓認識到的一樣，在廣義相對論框架下，宇宙同樣不應該是靜態的。但是愛因斯坦仍然把牛頓時代形成的「無限宇宙」作為了默認的事實，在1917年的論文《使用廣義相對論的宇宙學思考》（Cosmological Considerations in the General Theory of Relativity）中，他往方程里添加了一項「宇宙學常數」。這是一個反引力項，從而跟物質之間的引力達到平衡，讓宇宙「穩定」下來。愛因斯坦這個「畫蛇添足」的動作，讓他跟發現「宇宙不穩定」失之交臂。

不過，愛因斯坦這個錯誤是可以理解的。畢竟，在這個時候，就像牛頓一樣，科學家們還沒有發現星空里的劇烈變化。在這個時期，揭示恆星演化規律的「赫羅圖」才剛剛發表，天文學家們還沒有理解恆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「團塊」並不是恆星，而是星系——一直到1924年，哈勃才通過對造父變星的觀測證明仙女星雲是河外星系，是跟我們銀河系同等量級的恆星集團。

赫羅圖

1929年，哈勃通過對幾十個河外星系的距離和遠離我們的速度研究發現，二者之間存在正比關係（即哈勃定律）——星系看起來都在離我們遠去，而且距離越遠，遠離的速度越高。這一結論表明，包括銀河系在內，整個宇宙正在膨脹；從任何一點上，觀測者都可以看到完全一樣的膨脹；這也就意味著，在過去某個時間，整個宇宙曾經聚集在一起。這是20世紀天文學最重要的發現。

1931年，愛因斯坦在哈勃陪同下參觀了哈勃工作的威爾遜山天文台和望遠鏡

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宇宙觀念的更替

跟愛因斯坦不同的是，俄國物理學家亞歷山大·弗里德曼在1922年，比利時物理學家喬治·勒梅特在1927年就接受廣義相對論方程所揭示「宇宙不穩定」。弗里德曼提出了宇宙演化的可能性，勒梅特更是提出了「原初原子」的概念，也就是宇宙是從極小體積里高溫高壓狀態的物質開始膨脹和演化的。哈勃發現宇宙膨脹之後，愛因斯坦也坦然接受了這個結果，參與到對於新宇宙模型的討論中。

亞歷山大·弗里德曼 喬治·勒梅特

不過在二戰以前，哈勃定律的意義並沒有被廣泛認可，一方面是因為大多數物理學家正在忙於發展量子力學，另一方面是即使了解哈勃定律的一些物理學家也將信將疑。比如英國物理學家詹姆斯·霍普伍德·金斯（James Hopwood Jeans，他也參見了第一屆索維爾會議）早在1933年英國皇家學會「聖誕科普演講」《穿越時間與空間》（Through Space and Time）里就向公眾介紹了哈勃關於宇宙膨脹的發現，但他本人又提出宇宙可能是一邊膨脹，一邊「自發地」產生新粒子，從而保證整個宇宙密度不變。

喬治·伽莫夫 拉爾夫·阿爾夫

二戰之後，弗里德曼的學生，移居美國的伽莫夫指導他的學生阿爾夫利用已經發展完善的量子物理學、核物理學知識，計算了「原初原子」的物理狀態，在1948年發表的一篇文章里指出氫、氦元素就誕生於於早期宇宙，並預言宇宙中存在著極低溫度的背景輻射。「大爆炸宇宙學」由此正式誕生。同樣是在這一年，英國天文學家霍伊爾等人創立了「穩恆態」理論（和金斯的想法不謀而合），並嘲笑伽莫夫等人的理論為「大爆炸」（big bang，即嘭的一聲響的意思）。

一直到1960年代，隨著類星體和宇宙微波背景輻射的發現，大爆炸宇宙學終於獲得了公認的支持。類星體是遙遠的強射電源，它們的分布表明，宇宙存在演化過程；溫度為3K（絕對溫標）的微波背景輻射，正好符合大爆炸宇宙學的計算預言。穩恆態理論由此宣告失敗，大爆炸宇宙學成為公認的科學模型——我們居住的這個宇宙是有限的，它有一個開端。隨著對微波背景測量越來越精確，以及其他觀測和理論發展，天文學家們了解了我們宇宙年齡約138億年，我們太陽系已經有50億年歷史了。

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科學和哲學的互動

實際上，穩恆態理論，企圖用憑空出現的粒子來填補「哈勃膨脹」形成的虛空，這顯然並不符合已知的任何物理基礎理論，是可以說是金斯、霍伊爾等試圖挽救牛頓「無限宇宙」的一種絕望的努力。畢竟，「無限宇宙」圖景兩百多年來早已深入到每個人的頭腦里，僅僅憑「哈勃膨脹」這一個孤證不足以說服大多數人。一直到更多無可辯駁的證據出現，科學家們才最終承認從牛頓以來的「絕對時空，無限宇宙」觀念徹底被顛覆了。

福雷德·霍伊爾 詹姆斯·霍普伍德·金斯

實際上，科學和哲學之間互動非常頻繁，因為哲學和科學的共同基礎就是要提出問題，追究真相。當我們發現更新的證據的時候，以前的理論無論是誰提出來的，都要被新的證據推翻。亞里士多德時代如此，牛頓時代如此，現代也是如此。

隨著相對論、量子力學、大爆炸宇宙學等現代科學顛覆了以往我們對於物質、時空、宇宙性質的認識，也對哲學形成強烈的衝擊，迫使哲學家們必須理解這些科學概念。著名哲學家懷特海親身經歷了牛頓物理學的崩塌，深受愛因斯坦等人的影響，他甚至說「如今，如果你要研究哲學，就先學習現代物理吧」（這句話可以看作柏拉圖學園「不懂幾何者請勿入內」的現代版）。

阿爾弗雷德·諾斯·懷特海

不過在大眾層面上，變化就姍姍來遲了。在1990年前後筆者讀初中時，思想政治課本上依然寫著「宇宙是無窮無盡的，空間沒有邊際，時間沒有起點和終點」；雖然一切都有起源、發展和結束過程，但宇宙本身是個例外。有趣的是，霍金《時間簡史》英文版在1988年出版時，已經同步翻譯成了中文版，但國內出版社對這本書的價值（估計還有對中國讀者來說全新的宇宙大爆炸觀念）拿不定主意，一直延宕至1992年才作為「第一推動叢書」的第一本推出。從這個意義上來說，正是霍金把「宇宙大爆炸」這個概念第一次帶給了千千萬萬的中國讀者。

在另一次科普活動中，同樣是一位略年長的中學校長，在聽我講了宇宙大爆炸理論根據之後，雖然他無法反駁我的觀點，但他跟我說，也許在更高的層面上，宇宙還是無窮無盡的，還是保持穩定的。如果他是認真提出這個假說，那他必須提供相應的理論和觀測基礎；如果僅僅是為了維護牛頓「無限宇宙」觀念，那就大可不必了——畢竟，牛頓和愛因斯坦的戰爭，在一百年前已經分出勝負了。

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