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标准宇宙模型的背后 精选

已有 12500 次阅读 2016-5-18 08:47 |系统分类:科普集锦| 大爆炸, 反对者, 彭罗斯, 霍伊尔

1.大爆炸的命名者

有意思的是,“大爆炸”这个名字是一个反对大爆炸理论的天文物理学家(霍伊尔)给取的。据说本来含有挖苦嘲讽之意,却不料不胫而走,广为流传,最后成为了这个理论的正式名称。尽管宇宙学家们反对这个名字,认为它造成了公众的误解,把宇宙的起源理解为像“炸弹一样的爆炸”。这也难怪,其实无论起个什么名字,大多数人都不易理解,就像我们中国人常说的:“打死我也不相信!要不是……”。难识宇宙真面目,只缘身在宇宙中!“大爆炸”一词还算抓住了要点,给了大众一个颇为直观的图像。

弗雷德·霍伊尔爵士(Sir Fred Hoyle1915年-2001年)是一个很有影响力的英国天文物理学家。当年霍金从牛津大学毕业后去剑桥攻读宇宙学博士,就是冲着霍伊尔的大名声去的,不过后来学校给他指派了另一位物理学家夏玛。霍伊尔思维独特,颇具反叛精神,从年轻时代开始就藐视各种规章制度。据说他在读小学的时候就曾经因为太叛逆而挨了女教师一个耳光,把左耳都给打聋了。在大学毕业并获得硕士学位后,霍伊尔当时完全有资格获得博士学位再申请大学教职,走上大多数科学家一样的学术之路,但他却与众不同地放弃了这个机会。不过,在第二次世界大战之后,他仍然以他过人的聪明才智被聘为剑桥大学的数学讲师,后来成为教授,又创建了剑桥大学的理论天文研究所,担任首届所长,但他却始终无法与校方搞好关系。直率固执得过分的霍伊尔,最后于1973年辞去剑桥大学的一切职务,成为一名独立科学家。

霍伊尔曾经做出过诺贝尔奖级别的工作。1983年,美国物理学家威利·福勒与印度科学家钱德拉塞卡(Chandrasekhar1910年-1995年)分享了当年的诺贝尔物理奖,引起学界一片争议。钱德拉塞卡是因为20岁时对恒星引力塌缩(极限质量)的研究于72岁时得到诺奖,这是与此博文无关的另一个故事,在此不表。而对于福勒的获奖,大多数人包括福勒本人,都感到迷惑和遗憾,认为有失公允。因为实际上,福勒的得奖工作:揭示元素恒星起源方面的贡献,是和霍伊尔一起合作完成的。并且霍伊尔的贡献无疑地甚于福勒。福勒提供了基本数据,而霍伊尔贡献的却是更为关键的原创性思想。

尽管诺贝尔委员会并未给出详细的解释,但人们认为这显然与霍伊尔的一贯自恃才高及他的倔强性格有关。一个典型的例子是他对关于发现脉冲星之事的责难。 1974年的诺贝尔物理学奖只授予了天文学家安东尼·休伊什而未提及休伊什的学生贝尔,霍伊尔公开指责休伊什因剽窃学生的观测成果而获奖,并言辞激烈地抨击诺奖委员会。因此有人猜测这在某种程度上使得霍伊尔成了他自己直言不讳性格的牺牲品。

如今我们都知道太阳的能量是来自于氢到氦的核聚变。这个思想是爱丁顿于1920年首先提出来的,但是当年的研究工作尚不能解释恒星中比氦更重的元素的起源。正是霍伊尔与福勒在1957年研究了恒星内部重元素的核合成过程,才回答了各种化学元素的起源问题,为生命形成、人类演化等研究奠定了基础。这个重要的结果被称为B2FH理论,以他们和另外两位物理学家4人署名的文章发表在《现代物理评论》期刊上1。但最后因此成果而获得诺贝尔奖的却只有福勒一个人,没有霍伊尔。

霍伊尔的研究领域非常广泛,天体物理学、宇宙学、核能利用等等,他除了发表学术论文、著有许多学术著作之外,还写科普、科幻、电视剧。但是,因为霍伊尔的许多研究成果不符合正统主流的学术观点,本人的性格又傲慢固执、刚愎自负,以至于人们都几乎忘记了他的正确之处和科研成就,只记得他的反叛和不合潮流。

霍伊尔在宇宙学中最常被人提起的“事迹”就是与大爆炸学说的对决。现在看起来,伽莫夫提出大爆炸模型,计算元素丰度并预言微波背景辐射,在科学界应该是显得挺风光的,但当年完全不是这么回事,相信这个理论的人极少,被当作是伪科学或笑话。

1948年,几乎与伽莫夫提出大爆炸理论的同时,霍伊尔与汤米·戈尔德和赫尔曼·邦迪一起创立了稳恒态宇宙模型。大爆炸理论认为宇宙在时间上有起点,稳恒理论则认为宇宙无始无终.一直都在膨胀,并且新的物质不断地从无到有地产生。1949年霍伊尔在BBC的一次广播节目中首先使用“大爆炸”一词来嘲笑大爆炸模型,也借此比喻来强调两种宇宙模型的区别。1960年左右,霍伊尔又改进了他的稳恒态模型,加入了局部的快速膨胀区域,得出万有引力常数随时间减小、地球在膨胀的结论。一直到了1965年,大爆炸学说所预言的微波背景辐射被证实,才使得大多数物理学家都接受了大爆炸理论。霍金曾经比喻说,微波背景辐射的发现是给稳恒宇宙理论棺材上钉上了最后一根钉子。当初建立宇宙稳恒理论三员大将之一的邦迪也承认了稳恒理论已被推翻的事实。霍伊尔的另一位“伙伴”戈尔德则一直坚持到1998年,但后来也开始提出对稳恒理论的质疑,因为已经有越来越多的证据表明稳态理论存在严重的不可克服的问题,而大爆炸学说更符合天文观测的事实。三人中唯有霍伊尔,直至其2001年去世,始终都固执己见。

不过,霍伊尔的理论虽然有错误,但霍伊尔的坚持仍然增进了人们对宇宙演化过程的理解。科学总是在和反对派的争论中才不断进步的。实际上,当初的霍伊尔也正是基于对大爆炸理论的质疑,才激发灵感,因而和福勒一起研究恒星的核合成问题。

之前介绍过的大爆炸三大实验支柱之一的太初核合成理论,是伽莫夫等在abg文章中提出的,但霍伊尔认为这个理论很可笑,怎么可能“在远小于煮熟一只鸭子或烤好一份土豆的时间里”,宇宙就发生了从基本粒子到一系列元素的合成演化呢?这个疑问启发他和福勒一起在60年代研究恒星核合成而得到了以上所说的名垂青史的重要结果。现代认定的观点是:太初核合成中生成了氢、氦、氘等轻元素,恒星核合成则完成了从轻元素到各种重元素的转化。所以,霍伊尔虽然反对大爆炸,但对大爆炸宇宙学(后期-结构形成)的贡献实际上也是不可忽略的。

晚年的霍伊尔沉湎于某些奇异念头中不能自拔。比如他固执地认为地球是因为遭到外太空微生物的袭击而导致流感和其他疾病的爆发。他口无遮拦,在事实不足的情况下指责大英博物馆等机构造假。霍伊尔过分傲慢和顽固不化的处世态度固然不可取,但他这种在科学界少见的直率较真、标新立异,不遵从社会门户之见的治学风格,也可算是留给我们科研工作者的一份难得的宝贵遗产。

 

2.彭罗斯的“宇宙循环”

当年在剑桥,仰慕大名鼎鼎的霍伊尔的,绝不止霍金一个,罗杰·彭罗斯(Sir Roger Penrose193188日-)也是其中之一。彭罗斯从本科到博士,修的都是纯数学,但对于广义相对论和宇宙学十分感兴趣。他在1965年与霍金一起证明了广义相对论的奇点定理,预言巨星体的引力坍缩可能形成黑洞类型的天体。此外,彭罗斯对几何拼图、量子力学、意识产生等领域都有杰出贡献,不乏独特而新颖的见解,是当代颇为知名的数学物理学家。

上世纪50年代,当彭罗斯在剑桥时,这位数学家从他的哲学和美学趣味出发,十分欣赏霍伊尔等三人提出的“稳恒态宇宙模型”理论。因为“稳恒”,回避了时间和空间的起源问题:宇宙历来如此,永远如此!不需要考虑那些令人头疼的,“之前是什么?”或“之后又如何?”等讨厌的问题。

不过后来,当越来越多不利于稳恒宇宙模型的观测结果被发现后,彭罗斯接受了大爆炸理论,特别是1964年微波背景辐射的发现,将稳恒态宇宙模型置于死地。再则,比较对稳恒宇宙模型而言,彭罗斯更喜欢广义相对论,十分陶醉于爱因斯坦将时空几何与物理定律统一起来的美妙思想,因此,他积极地转向与大爆炸有关的研究,且成果不凡。

彭罗斯接受标准大爆炸模型,但不相信暴胀理论,并且,年轻时欣赏稳恒宇宙的那种“情结”始终暗藏于心,总希望找到一种方式将大爆炸和“稳恒图景”结合在一起。这个愿望引导他建立了他的共形循环宇宙模型(Conformal cyclic cosmology),简称CCC,于2011年发表在他的《Cycles of Time》一书中2CCC理论在认可广义相对论和大爆炸的基础上,补充了大爆炸之前和无限膨胀之后的“那一瞬间”的宇宙图景。彭罗斯认为在时间的长河中,宇宙会接连不断地、以完全类似的形式循环重复“大爆炸-膨胀-大爆炸-膨胀”的模式,我们将在下一篇博文中详细介绍。

(待续)

 

参考文献:

1E.M. Burbidge, G. R. Burbidge, W. A. Fowler, and F. Hoyle. Synthesis of theElements in Stars[J]. Reviews of Modern Physics. 29 (4): 547. 1957,

2RogerPenroseCyclesof Time: An Extraordinary New View of the UniverseKnopf USA2011


上一篇博文中,有网友问到如何计算可观测宇宙半径,在此附上:


可观测宇宙的大小.pdf






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