导语

我们所见的世界只是冰山一角，我们用望远镜、显微镜及其他工具来拓展我们的感知能力，然而即便如此，仍有许多东西是用肉眼看不见的。如同我们的感觉，每种工具也都有其使用范围。自然界仍有许多事物不为我们所知，我们对于这个世界的认知仅仅建立在我们能够测量和分析的那一小部分事实的基础之上。我们用科学来描述我们在自然界中所见和所猜测的事物，因而也必然受限于此。

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一个不断膨胀的宇宙使许多人感到费解。对此，大多数人脑海里产生的都是幼稚而错误的图像：好像一个爆发的炸弹，而那些星系也似弹片一般，一直被拉拽到宇宙空间的尽头。为什么这是错误的呢？因为这个图像假定宇宙空间保持固定不变并且星系是在朝着宇宙的尽头移动，但是事实却与之大相径庭。

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爱因斯坦也会犯错

爱因斯坦虽然提出了伟大的相对论，修正了牛顿关于引力的观点，但他却认为宇宙是静止的。

“如果宇宙空间具有可塑性，”爱因斯坦解释说，“而这种可塑性又源于其内部物质的数量的话，那我就能够运用公式计算出宇宙的形状。”

爱因斯坦还假设，宇宙空间状似球体，并且处于静止状态。接着，他尝试着用自己最擅长的方式来简化这个问题。他基于其物质分布理论而建立了宇宙空间几何形状的公式，正因如此，宇宙空间为了对应这种均匀分布就必须处于一个最简单的形状——球体。

爱因斯坦成功地计算出了自己这套球状宇宙的“半径”，而为了使自己的模型就此稳定下来，他还添加了一个我们现在称作“宇宙常数”的奇怪数字。爱因斯坦就此止步，并对自己的理论颇感满意，并认为这足以解释世界上最古老的一大问题——宇宙究竟是什么形状？

在1929年，仅仅在这位现代宇宙学先驱的论文发表的十二年后，一切认知都被颠覆了。

来自美国的天文学家爱德文·哈勃发表了自己对遥远星系的观测结果，结果表明这些遥远星系正远离我们所在的银河系，其速度与它们距地球的距离成正比：举例说来，一个星系与地球的距离变为原来的2倍，那它远离地球的速度也要快上2倍。

当时最大的天文望远镜听候哈勃调遣，这台望远镜位于加利福尼亚州的威尔逊山，拥有一个100英寸的反射镜。借助这台望远镜，哈勃能够比任何人都看得更远，也更清晰。

多普勒效应：星系在苍穹之中呼啸而过

大约10年之前，威斯托·斯里夫已经证明来自遥远星系的光似乎转向红端移动，这种效应被称作红移。但是，这意味着什么呢？这个答案在19世纪由奥地利物理学家约翰·克里斯琴·多普勒揭晓了。

如果其来源（或者说是观测者）处于运动状态的话，任何波都会被拉伸。我们可以通过自身的经历了解到这一点：当救护车从身边呼啸而去时，声音的音调会越来越低。相反，当一辆救护车迎面驶来时，声音的音调却会越来越高。

多普勒在1842年发表了这一理论，而一群音乐家则于1845年以在火车上吹奏圆号的方式证明了这一效应。类似的“多普勒效应”也适用于光波，不过我们在这里选用的术语是频率而非音调；蓝光和红光之间的唯一不同点就在于频率，蓝光的频率要高于红光。因此，当天文学家讨论红移现象时，他们所指的是光波因发光体的远离运动而被拉伸。蓝移现象则为红移现象的反例，即发光体（或观测者）处于靠近状态。

也多亏了多普勒，一些世俗小事也能勾起我们对宇宙浩渺博大的联想——每当你听到救护车呼啸而过的声音时，你可以想到数十亿个星系在苍穹之中呼啸而过的情景。

宇宙并非处于静态当中

再一次，我们对宇宙的认识随着强大设备的出现而发生了革命性转变。甚至在哈勃之前，少数物理学家已经猜测到宇宙也许并非处于静态当中，它也许会在特定时间产生变化。

最早做出此预言的科学家是荷兰人威廉·德斯特，他特别对爱因斯坦临时创立的假设——宇宙静止论表示怀疑：“（爱因斯坦）所有的猜想都不是确定的……我们对世界的认知只好似一张快照，因此我们无法也必定不能就此断下结论，认为所有一切都会保持拍照那一瞬间的状态。”

几年过后，爱因斯坦理论的痴迷者、俄罗斯气象学家亚历山大·弗里德曼用数学证明了在广义相对论公式中，并未有任何促使宇宙静止的事物：即宇宙将会在特定时期膨胀或缩小，类似派对上的气球一样。在此情形下，物体密度会随之发生改变——也就是，在宇宙膨胀之时密度变小（类似于把家具从窄小的房间搬到宽敞的房间并以此得到额外的空间），而在宇宙收缩之际密度变大。

哈勃在发现线性膨胀法则（即遥远星系后撤的速度与地球和它之间的距离呈正比）之后，证明了弗里德曼理论的正确性：并不需要有某种力量来迫使宇宙处于静止状态，也不需要有某种非自然的常数来维系这种静态。

宇宙本身也在膨胀扩张

一个不断膨胀的宇宙使许多人感到费解。对此，大多数人脑海里产生的都是幼稚而错误的图像：好像一个爆发的炸弹，而那些星系也似弹片一般，一直被拉拽到宇宙空间的尽头。为什么这是错误的呢？因为这个图像假定宇宙空间保持固定不变并且星系是在朝着宇宙的尽头移动，但是事实却与之大相径庭：宇宙空间本身也在膨胀扩张，而星系的运动好似顺流而下的软木。这也是该宇宙运动被称为“哈勃流”的原因。

哈勃的发现将宇宙空间的可塑性提高到了一个新的高度：从恒星周围的局部偏差中，我们认为爱因斯坦的理论正确地预言了宇宙空间整体上（至少是我们在此可予以讨论的确定的可视宇宙）处于膨胀状态，以适应其范围内物质的运动。

奇点：一切可以挤在一个点吗？

如果我们反向思考膨胀运动、以时间倒退的角度来看问题的话，事情可就变得更加有趣了：如果宇宙空间目前在不断膨胀，那么在此之前星系与星系之间应该是紧密相连的。如果从时间上再向前推一步的话，星系之间一直在相互靠近，一直坍缩至宇宙空间的同一个点，至少从理论上来说是这样的。

那么，为什么会这样呢？目前所存在的这一切怎么可以挤在一个点呢？随着我们意识到这种数学上的理想模型并不存在，我们的困惑反倒有增无减。那么，到底发生了些什么？哈勃的扩张理论将宇宙的历史前推至混沌之初。这个历史节点被叫作“奇点”。

在20世纪60年代，物理学家斯蒂芬·霍金与罗杰·彭罗斯表示，基于对物体性质合理的假设，任何膨胀的宇宙在过去都必须有一个奇点。这就造成了一个两难境地：由于回顾过去就意味着宇宙空间容量的缩小，那么如果质量要挤进一个更小的容量中的话，它的密度就会无限增大。

那么请设想，如果一个拥挤的地铁车厢被缩小成为沙丁鱼罐头大小，进而缩小为一个豌豆大小，再缩成一个原子，如此往复将发生些什么呢？很显然，物质的密度会增长至无穷大，而宇宙空间则会因物质堆积而发生扭曲，会无限弯曲下去。随着奇点的迫近，时间将中止，也就是E=0，即“万物伊始”。任何关于无穷的物理理论都不完美，因此才会时常遭人诟病。那么，一定是其中某个环节出了纰漏。

量子引力：破解宇宙的起源

没有哪个理论是完备或者说是终极的，这是因为新的极端情形需要新的构想，而新的构想则需要实验验证，而这反过来又依赖于现有科技。当科学家为了预测结果而殚精竭虑地验证一个理论的时候，他们通常都会发现些从未预料过的问题，这些问题会迫使他们重绘画板并且去创造出新知识。

由于爱因斯坦的广义相对论难以解释宇宙奇点，因此新的物理学呼之欲出。并且由于时间伊始之际，万物之间的距离非常之小，因此新的物理学需要解释空间、时间以及物体是如何在极其狭小的距离中运动的，也就是说，适用于大模型的物理学也需要适应非常小的物理模型。

这也就是“量子引力”的领域，它是广义相对论与量子物理的结合，也是关乎原子及其亚原子成分的物理学。在一番惊人的转折之后，对宇宙及其历史的研究将我们带入到对最为微小的物质成分的研究中。如同我们现在所看到的一样，这二者其实深深地交织在一起：物理学家若无法描述量子物理是以何种方式影响时空几何的话，他们也就无法破解宇宙的起源。

文章摘自《求知简史：从超越时空到认识自己》

（图片：来自网络）

-完-

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《求知简史：从超越时空到认识自己》

曾大为 刘勇军 译

重庆出版社

• 内容简介：

《求知简史：从超越时空到认识自己》是一部跨越哲学、天文学、物理学等学科的人类认知发展史。

作者用简洁优美而不乏幽默风趣的笔法，展现了从古希腊哲学家到牛顿、开普勒、爱因斯坦等众人是如何拓展我们对于世界的认知：从宇宙的起源及其物理性质，到世界的物质构成及物质特性，从元素说、原子论到日心说、经典力学，再到相对论、量子力学，其范围大至太空小到量子世界，涵盖了奇点、弯曲空间、暗物质、多元宇宙等广泛主题。

在《求知简史：从超越时空到认识自己》中。作者指出在人类的求知之旅中，哲学家的智慧胆识和卓尔不凡的想象力，科学家的惊人创造力、不懈努力和强大的实验能力，探索工具的逐渐改善，都不同程度地动摇了人类原有的知识根基，并重新定义了人类与未知世界的关系。 

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