探索宇宙身世之百年回望

我常說：“洞察宇宙的身世，是人類智慧的驕傲。”保羅·哈爾彭這部《創世之辯：伽莫夫、霍伊爾和宇宙大爆炸》（以下簡稱《創世之辯》），正是人類立足現代科學探索宇宙起源的忠實寫照。

宇宙中的天體五花八門。在太陽系內，有太陽、行星、衛星、彗星等；在太陽系外，數以千億計的恒星、大量的星云、星際物質等組成一個典型的星系——銀河系。如今人類在宇宙中觀測所及的星系已經超過千億。以星系為基本單元組成的天體系統，按成員數由少而多，依次有星系群、星系團、超星系團，乃至規模更宏偉的各種宇宙大尺度結構。今天，天文學家還知曉宇宙中的全部物質實際上由三大部分組成，即普通物質、暗物質和暗能量。其中普通物質所占的比例尚不足5%，如何查明暗物質和暗能量的本質則依然令科學家們絞盡腦汁。

幾千年來，人類的宇宙觀念經歷了天翻地覆的變化。簡而言之這可以分為四個階段：古代樸素的宇宙觀、地心宇宙體系、日心宇宙體系以及現代宇宙學說。世界各古老文明對于宇宙結構各有不同的樸素猜測。例如，中國古代的早期蓋天說認為天似穹廬，籠罩著平坦的大地。古希臘天文學家建立的地心宇宙體系在歐洲流行了千余年之久，認為地球是宇宙的中心，群星在各自的天球上繞地球運行，最外層的是恒星天球。16世紀，波蘭天文學家哥白尼提出的日心宇宙體系主張太陽位于宇宙中心，包括地球在內的行星皆繞日運行，恒星天球則與地心宇宙體系所述無大差異。在現代宇宙學說中，當今居主導地位的是大爆炸宇宙論，它的提出和發展乃是本書的主線。

人類有關宇宙演化的觀念，主要體現在兩方面。一是宇宙中各種天體的演化，二是宇宙作為一個整體的演化。例如，“恒星”一語的“恒”字，原意為固定不變：不僅群星的空間位置不變，而且其自身狀態亦不變。但實際上，所有的恒星卻既在運動又在演化，唯“恒星”一詞沿用如故。至于宇宙作為一個整體，人們早先一直認為盡管存在著局部的運動變化，宇宙整體上卻是靜止不變的。20世紀，隨著現代宇宙學的進展，這種陳舊僵化的觀念已被徹底擯棄。

現代宇宙學由理論和觀測兩大部分構成，它們相輔相成，攜手前行。1917年，愛因斯坦發表論文《根據廣義相對論對宇宙學所作的考察》，標志著現代理論宇宙學的開端。愛因斯坦本人建立的是一個“靜態、有限、無界”的宇宙模型。1922年，俄國數學家弗里德曼（A. Friedmann）以廣義相對論為基礎論證了宇宙隨時間膨脹的可能性。1927年，比利時天文學家勒梅特（G. Lema？tre）又導出了我們的宇宙隨著時間而膨脹的結論。

1929年，美國天文學家哈勃（E. Hubble）發表《河外星云距離與視向速度的關系》一文，堪稱現代觀測宇宙學的開山之作。文中論證了距離我們越遠的河外星云，其離開我們而去的運動速度就越大，兩者之間存在著良好的正比關系。這就是聞名于世的“哈勃定律”。后來，“河外星云”一詞為“河外星系”所取代，但哈勃定律在更大的時空尺度上依然成立。1930年，英國天文學家愛丁頓（A. Eddington）將哈勃的發現解釋為宇宙的整體膨脹效應。容易理解，在這樣的膨脹宇宙中，所有的星系都在彼此四散分離，而并非只是遠離我們而去。

1932年勒梅特提出，今天的宇宙由一個溫度極高、體積極小、密度極大的“原始原子”爆發、膨脹而來，爆炸的碎片后來形成無數的星系，至今仍在向四面八方飛散開去。1940年代后期，美籍俄裔物理學家伽莫夫（G. Gamow）及其合作者繼承并發展勒梅特的思想，從理論上計算了宇宙原初爆炸的溫度，計算了應有多少能量轉化為各種基本粒子，進而又怎樣形成各種原子，等等。幾十年來，這種大爆炸宇宙論不斷改善，成功地預言和解釋了眾多的天文觀測事實，從而成為當代宇宙學的主流理論。鑒于勒梅特對現代宇宙學理論做出的歷史性貢獻，國際天文學聯合會于2018年決議將哈勃定律重新命名為“哈勃-勒梅特定律”。

創世之辯的詳情當然遠非上述故事梗概那么簡單。1940年代后期，幾乎與伽莫夫等人的大爆炸宇宙論同時，另一種宇宙演化理論——穩恒態宇宙論也登場了，英國天文學家霍伊爾（F. Hoyle）是力主此說的代表人物。穩恒態宇宙論認為，宇宙雖然在單調地膨脹，但它在空間上保持均勻且各向同性，在時間上也保持穩定。這就要求在宇宙膨脹的過程中，物質密度保持不變，因此物質應該連續不斷地從虛空中誕生。

在今天看來，穩恒態宇宙論的主張似乎是太奇特了。在歷史上，穩恒態宇宙論所預言的星系分布、宇宙射電源計數等都與天文觀測不符，兼之它又難以解釋宇宙微波背景輻射，因此到1960年代末已漸趨式微。人們不免困惑：作為一名成果豐碩的知名科學家，霍伊爾究竟為何遲遲“不服輸”，直至1990年代還繼續發文，對穩恒態理論修修補補？《創世之辯》一書對霍伊爾的思維模式多有探討，這對理解上述問題頗有裨益。

《創世之辯》構思獨到，下筆用心。它緊抓要領，又注重細節。書中圍繞伽莫夫和霍伊爾這兩位主角先后亮相的科學家可謂群英薈萃，他們的戲份各有輕重，作者著墨也濃淡有致。史事記實與人物列傳有機交織的架構，更使本書引人入勝。

有人把霍伊爾和伽莫夫看作創世之辯中的一對冤家。其實，他們全無私怨。他倆的獨特秉性，在《創世之辯》中時有生動的描述。伽莫夫是在諸多學科之間跳來跳去且皆有建樹的“頑童”。例如，除了宇宙大爆炸理論，他對原子核物理學也貢獻良多。在生物化學中，他于1954年提出，核酸對于蛋白質的合成起著某種“遺傳密碼”的作用，并率先提出此種“遺傳密碼”由核苷酸三聯體組成。盡管其理論細節有瑕，但他首創的這種觀念總體上卻是正確的。同時，伽莫夫還是一位獨具魅力的科普大家。他的科普作品膾炙人口，被譯成多種文字流行于世，包括中文版的《物理世界奇遇記》《從一到無窮大》等。

1968年伽莫夫去世了，終年64歲。他未能獲得諾貝爾獎，但在其身后，諾貝爾物理學獎卻多次授予與大爆炸宇宙論密切相關的項目。最典型者如彭齊亞斯（A. Penzias）和威爾遜（R. Wilson）因在1965年發現大爆炸預言的宇宙微波背景輻射，而于1978年榮獲諾貝爾物理學獎。此外，也有諸多諾獎得主對他欽佩有加。例如，因發現DNA的雙螺旋結構而獲得1962年諾貝爾生理學或醫學獎的沃森（J. Watson），多年后在其《基因·女郎·伽莫夫》一書中說道：伽莫夫“同時涉足這些領域……他從不指望每次探索都有結果，因而總是在過程中尋找樂趣。如今回首自己的人生，才明白喬（伽莫夫的昵稱）的睿智遠遠超出了我最初對他的評價。”

霍伊爾比伽莫夫小11歲，生于1915年。他的研究領域也非常廣泛。其中宇宙中的元素合成理論是一項影響深遠的重大成果。這一理論詳細闡釋了宇宙中各種元素及其同位素的形成過程。參與合作研究的共有4位科學家：天文學家杰弗里·伯比奇（G. Burbidge）和瑪格麗特·伯比奇（M. Burbidge）夫婦、核物理學家福勒（W. Fowler）以及霍伊爾本人。合作者公認霍伊爾是這一理論的創始人，貢獻也最大。1983年，此項成果奪得了諾貝爾物理學獎，但獲獎人是福勒而不是霍伊爾。世人對此猜測紛紛，甚至福勒本人也感到驚奇，他在自傳中寫道：“恒星中由核聚變產生新元素的概念是霍伊爾于1946年首次建立的。這提供了一種解釋宇宙中比氦重的元素產生的途徑……霍伊爾推測，其他更罕見的元素可以在超新星爆發過程中產生。”杰弗里·伯比奇則在2008年寫道：“霍伊爾本應因這項工作和其他工作而獲得諾貝爾獎。霍伊爾的貢獻被低估了。”另外，霍伊爾也同伽莫夫一樣，發表了大量優秀的科普作品，而且是用真名發表科幻小說的少數當代著名科學家之一。

《創世之辯》同許多科學讀物一樣，談及愛丁頓等利用1919年5月29日日全食的機會，觀測研究星光途經太陽近旁發生的偏轉，從而證實了廣義相對論關于引力場使光線彎曲的預言。確實，日全食太迷人了。20世紀中國大地上可見的最后一次日全食，發生在1997年3月9日，全食帶經過黑龍江省極北的漠河縣。為觀測這一奇景，大批天文學家和愛好者從全國各地紛至沓來。在那里，我遇到了上海市上南中學劉世鏞老師帶領的學生天文小組，并合影留念。照片中有一位當時才14歲的少年天文愛好者，名叫施韡。多年后，他成了一位廣受歡迎的天文普及家。中文版的《創世之辯》正是施韡（網名水兄）的譯作之一，其行文流暢，內容準確，讀來令人欣喜。借此作序之機，我祝愿他在科普事業中不斷取得更出色的成績！

（作者為天文學家，資深科普作家兼科技出版人，中國科普作家協會前副理事長。本文為《創世之辯：伽莫夫、霍伊爾和宇宙大爆炸》一書的推薦序，此處略有改動。） ■