第2章
没有昨天

1957年4月，为了纪念阿尔伯特·爱因斯坦逝世两周年，比利时广播系统播出了一个采访 ^[1] ，在采访中，乔治·勒梅特回忆起当他第一次告诉爱因斯坦他发现宇宙膨胀时对方的反应。那是在1927年10月的布鲁塞尔，当时世界上许多最著名的物理学家都赶来参加在这里举行的第5届索尔维物理学年会。这位33岁的神父兼天文学家并未参加该会，但在会议间隙接触了爱因斯坦。然而，当他提出爱因斯坦的广义相对论预言空间会膨胀，因此我们应该看到星系远离我们时，爱因斯坦却有些犹豫不决。在采访中，勒梅特回忆道：“在就技术上说了几句赞许之词后，他（爱因斯坦）总结说，从物理角度来看，这对他来说‘很讨厌’。”

勒梅特并不气馁，他认真对待自己的发现，认为膨胀意味着宇宙一定开始于他所说的“原始原子”：这是一个密度惊人的微小颗粒，它会逐渐解体，并创造出物质、空间和时间。

为什么爱因斯坦会强烈反对宇宙存在开端这样的想法？因为他觉得这会破坏物理学的基础。他认为勒梅特的原始原子或任何其他种类的大爆炸起源，会成为上帝干预自然运作的一个切入点。20世纪30年代初，爱因斯坦在和勒梅特长时间散步的过程中，曾敦促勒梅特寻找一个办法避免宇宙开端，因为“这让我想起了基督教中关于创世的教义”。他认为，如果宇宙学理论给了宇宙一份出生证明的话，那么这一证明究竟由谁或什么东西签署，在这一问题上它将永远无话可说，而这便浇灭了以科学为基础、从最基本的层面理解宇宙的所有希望。

这位比利时教士试图安抚爱因斯坦，辩称“原始原子的假设是与超自然的创世假说相对立的” ^[2] ，但徒劳无功。事实上，勒梅特将研究宇宙的起源视为扩展自然科学研究范围的绝佳机会。

爱因斯坦与勒梅特关于宇宙膨胀终极原因的对决触及了宇宙表观上的设计之谜的核心。他们的争论在许多方面都是70年后林德与霍金之对决的前身。当勒梅特将大爆炸设想为“超自然的创世假说的对立面”时，他是怎么想的？为了理解这一点，我们需要仔细研究这两位科学家的想法。

现代宇宙学的理论基础是爱因斯坦的相对论。这让我们回到了19世纪末20世纪初，那时物理学家拥有牛顿的引力和运动定律以及詹姆斯·麦克斯韦的电、磁和光理论，这些理论与热理论一同支撑起了工业革命。从这些19世纪的物理理论中产生的世界观与我们对现实的直观印象是一致的，它涉及粒子和场，在固定的空间中传播，并由一个宇宙时钟——可以说是宇宙大本钟 ——所引导。因此，难怪那时的物理学家以为他们对自然的描述正日趋明朗，物理学很快就会完成。

然而，在1900年，爱尔兰裔苏格兰物理学家威廉·汤姆森注意到“有两朵乌云已露端倪”。 ^[3] 他是19世纪经典物理学的巨人之一，更为人熟知的名头是开尔文勋爵。开尔文所指的一朵乌云与光在通过以太时的运动有关，另一朵则与热物体发出的辐射量有关。尽管如此，大多数物理学家仍然认为这些只是有待完成的细节，物理理论的大厦仍然是坚实的。

然而不到10年，这座大厦便土崩瓦解。对开尔文这两处“细节”的解决引发了两场全面革命，即相对论和量子力学。更重要的是，这两场革命将物理学推向了两个截然不同的方向，这带来了一片新的乌云，时至今日仍笼罩在物理学前沿的上空：这就是宏观世界和微观世界如何相匹配的问题。

究竟是关于光的什么性质，撼动了19世纪物理学的基础？答案是光的速度。严格的实验表明，光总是以每秒186 282英里（每秒299 792千米）的速度移动，与观察者相对于光源的运动无关。显然，这一事实与日常经验并不相符：如果你坐在一辆行驶中的火车上测量火车的速度，你得到的速度值（结果是零）明显与你站在车外测量的火车速度不同。光速不变也与19世纪时人们根深蒂固的思想背道而驰。人们认为光波是由以太携带的，以太是一种神秘的充满空间的介质。但如果是这样的话，相对于以太以不同速度移动的观察者应该会看到光波以不同的速度经过以太。但实验表明并非如此，这足以让当时在瑞士专利局工作的阿尔伯特·爱因斯坦怀疑以太并不存在。

爱因斯坦明白，如果我们观察到的光总是以相同的速度传播，那么相对于彼此运动的观察者必然有着不同的距离和时间的概念。毕竟，速度等于距离除以时间。根据爱因斯坦的说法，并不存在所谓的“宇宙大本钟”，我们每个人都有自己的时钟，而且，虽然我们所有的时钟都一样准，但当我们彼此相对运动时，它们会以稍微不同的速度走动，所测出的相同两个事件之间的时间间隔也有所不同。距离也是如此，一位观察者的尺子可能与另一位的略有不同。对时间和距离的测量并没有普适的标准。这是爱因斯坦1905年提出的狭义相对论的核心所在。“相对论”这个名字指的正是这种革命性的想法，即空间、时间和同时性的概念并不是一成不变的客观实在，而是始终与某一观察者的视角联系在一起的。

人们可能会想知道，一个观察者与另一个观察者所测量到的距离的差别到底去了哪里。它真的消失不见了吗？不完全是。它们转化为了一段时间。你可以看到，在爱因斯坦的相对论性宇宙中，穿越空间的运动与穿越时间的运动混合在一起。当我看着我姐姐停着的跑车时，我发现它的所有运动都是穿越时间的。但如果她开车加速离开，那它在时间上的一小部分运动就会转化为在空间上的运动。我姐姐的钟就会比我的慢一点儿。虽然这并不能让她成为“来自光明的年轻女士” ，但这确实会导致她在返回时出现轻微的时间上的错位。当穿越时间的运动完全转为穿越空间的运动时，运动速度就会达到最大。这就是光速——宇宙中速度的极限。宽泛来说，若在空间中以光速运动，就不会留下任何在时间上运动的痕迹。如果一个光粒子有一块手表，它根本就不会走。

这些洞见让爱因斯坦的理论摆脱了根深蒂固的牛顿的世界观。在牛顿的世界观里，空间是一个固定的舞台，所有的事件都在这里上演；时间是一个笔直的箭头，稳步而一致地从无限的过去一直走向无限的未来。在牛顿的思想中，没有什么能影响到空间的坚固性和时间的线性流动性。此外，时间和空间之间也没有相互关联。根据牛顿的说法，时间一直存在，而且永远都会存在，与任何可能存在也可能不存在的空间无关。

爱因斯坦的狭义相对论在空间和时间之间建立了密切的关系，从而挑战了这一切。1908年，德国数学家、爱因斯坦在苏黎世理工学院曾经的老师赫尔曼·闵可夫斯基完成了爱因斯坦对空间和时间的重新概念化，并发表了著名的宣言：“从此，空间和时间本身都将退到阴影中，只有两者的某种结合才能继续拥有意义。” 闵可夫斯基将三个空间维度和一个时间方向融合成了一个单一的四维实体： 时空 。

为了描绘这个四维组合，在时空图中，我们通常隐去三个空间维度中的一个或两个，画出剩下的一两个，以及时间的维度。图9是闵可夫斯基的第一幅时空图，其中他只保留了一个空间维度，沿着水平方向，而时间沿着竖直方向。该结构揭示了狭义相对论如何重新定义我们与宇宙的关系。如果作为观察者的我们处在标记为 O 的点上，那么在互相相反的方向上从过去以光速传到我们这里的信号，以及从 O 点辐射到未来的信号，就会划出两条在点 O 相互交叉的线，把时空分为4个不同的部分。观察者的过去是以入射至点 O 的光线轨迹为边界的三角形时空区域。该区域包含所有已经发生的、可能影响观察者之所见的事件。观察者的未来是以离开点 O 的光线为边界的三角形区域，其中包含观察者可以影响的一切。稍后我们将看到在水平平面上包含第二个空间维度的时空图。在这样的图中，每一点的过去和未来的光线轨迹都描绘出两个锥体，两个锥体的顶点在该点接触，并朝相反的方向张开。这种在每一时空点上的光锥结构是相对论物理学的关键所在。人们过去认为，过去和未来只是在现在这个时间上交会在一起。但狭义相对论告诉我们，对于作为观察者的你来说，它们只在一个点上互相接触，这个点标记着你在宇宙中的具体位置。

在牛顿的世界里，时间和空间是泾渭分明而绝对的，宇宙中的速度也没有限制。人们认为，我们至少在原则上可以立即进入任何一处空间。在爱因斯坦的相对论世界中，我们开始意识到我们可进入的空间其实很少。在空间和时间上，我们可观测的宇宙都局限在我们过去光锥内的区域中。既然大爆炸只过去了138亿年，这就意味着存在一个 宇宙的视界 ，这是一个极限距离，在这个距离之外，无论望远镜技术有多么先进，宇宙或多元宇宙中发生的任何事情我们都无从知晓。

即使在我们的宇宙视界内，我们也只能收集到有限的时空区域内的信息。图10展示了地球上的观测者过去光锥内的区域，这些区域是可以直接到达的。首先，对光的天文学观测给我们带来了过去130多亿年间有关光锥表面附近区域的信息。其次，对陆地上的化石、宇宙中的粒子和其他空间残骸的观测使我们能够回溯过去大约46亿年间光锥的内部。但是，在这两者之间有很大一片区域（图10中的浅色阴影）是我们无法直接访问的。

1907年，爱因斯坦开始重新思考牛顿的万有引力定律，以使我们对引力的描述也符合他新的时空相对论观点。这将是一个相当大的挑战，是一场数学探险，他后来将其描述为“一次漫长而孤独的穿越沙漠的旅程，在黑暗中寻找人们能感觉到但无法表达的真理”。 ^[4] 但功夫不负有心人，1915年11月，在第一次世界大战的黑暗日子里，爱因斯坦终于提出了他的广义相对论，这是一种新的引力理论，且与他的狭义时空相对论相自洽。这将成为他影响力最大的科学成就。

广义相对论用几何术语描述了引力——或者说，它实际上描述了时空本身的几何。 该理论认为引力是时空结构因质量和能量而弯曲的表现。例如，该理论认为，地球围绕太阳运动，并不是因为有一种神秘的力量穿过那么远的距离发生作用，以某种方式牵引着地球，而是因为太阳的质量稍微扭曲了它附近空间的形状。这种扭曲形成了一种类似山谷的形状，将地球（和其他行星）引导至围绕着太阳、近乎椭圆的轨道。我们看不到这个山谷，但我们感觉得到——这就是引力！同样，根据爱因斯坦的说法，你的脚能在地面上保持站立，是因为地球的质量在你的身体试图向下滑动的空间形状中产生了一个轻微的凹陷，导致你的脚感到向上的压力。也正是这一凹陷使国际空间站和月球等卫星在环绕地球的轨道上运行良好。

不仅是空间，时间也会弯曲，这一现象被《星际穿越》等电影的导演们加以利用并夸大了。在《星际穿越》中，约瑟夫·库珀和其他机组人员在米勒星上短暂停留后返回飞船时，发现留下来的船员罗米利已经变老了23岁多了。显然，米勒星附近黑洞的巨大质量使得来访的宇航员身上的时间流逝得更加缓慢了。

爱因斯坦广义相对论的强大之处在于，它将物质、能量及时空形状之间奇妙的相互关系封装在一个数学方程中，即

这个方程式不难理解。方程的右边是一个时空区域内的所有物质和能量，用 T _µv 表示。左边描述了该区域的几何，即 G _µv 。中间的等号就是奇迹发生的地方：它以数学上的精准性告诉我们，左边的时空几何（ G _µv ）与右边给定的物质和能量结构（ T _µv ）是如何联系在一起的。而根据爱因斯坦的理论，这种关系就是我们所感受到的引力。因此，引力并不是作为一种独立的力进入爱因斯坦理论的，而是从物质和时空形状之间的相互作用中 涌现 的。正如美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒所说：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。” ^[5]

简而言之，广义相对论为时空注入了生命。该理论将时空从牛顿理论中亘古不变的、超出我们理解范围的状态转变为一个可塑的物理场。顺便说一句，物理学中的场——填满空间的不可见物质——这一概念的提出，可以追溯到19世纪杰出的英国实验学家迈克尔·法拉第。不久之后，麦克斯韦利用场阐述了他的电磁学理论。物理场中最著名的例子可能是磁场，磁铁用它来对外界施加影响。今天，物理学家不仅使用场来描述力，还使用它来描述各种各样的粒子。粗略说来，我们认为粒子是更深层次的、填充于空间中的场的致密结晶。而爱因斯坦的天才之处在于将时空本身定义为引力所对应的物理场。

过了没多久，支持广义相对论的证据便纷至沓来。第一个证据来自太阳系内部，与水星的路径有关。19世纪中叶，勒维耶在笔尖上发现海王星的同时，也注意到了水星的轨道与牛顿引力定律所预言的略有偏差。不出所料，勒维耶认为水星的轨道可能会受到另一颗更接近太阳的行星的影响，他甚至为这颗行星取了一个名字叫“火神星”。但“火神星”从未被发现过。因此，1915年，爱因斯坦开始根据他的新引力理论重新计算水星的轨道，并发现它完美地解释了水星的反常现象。这一发现被他称为他一生中最强烈的情感体验——“就像大自然开口说话了一样”。 ^[6]

但广义相对论真正的突破发生在1919年，当时英国天文学家亚瑟·爱丁顿爵士出海前往位于西非海岸的葡属普林西比岛，测量日全食期间恒星的位置。如果爱因斯坦是正确的，即质量使时空弯曲的话，那么经过像太阳这样的大质量天体附近的星光就不应该沿直线传播，而是会发生偏移，从而导致恒星在天空中的位置发生轻微的变化。令人惊讶的是，爱丁顿和他的团队发现的正是如此：恒星发生了偏移。《纽约时报》报道了爱丁顿的观测结果，并取了个耸人听闻的标题：“天上的光竟会拐弯，令科学家们都兴奋不已”，这让爱因斯坦蜚声全球，成为推翻牛顿的天才。 曾一度被奉为绝对真理的牛顿定律，如今只成了一个暂时性的近似。而一位英国天文学家证实了一位德国物理学家的理论这件事，甚至被认为是不久之前在第一次世界大战中兵刃相对的两个国家的和解之举。

太阳周围的光线弯曲程度很小——只有几弧秒，这是因为按照天文学标准，太阳的引力场还算很弱。但几乎整整100年后，在2019年春天，世界各大媒体的头版登出了一幅壮观的类似笑脸的图片，该图片展示了光线偏转最极端的情况。一个国际天文学家团队可谓现代版的爱丁顿探险队，他们制造了一个地球大小的虚拟望远镜，即“事件视界望远镜”，它包括分布于全球的8个射电望远镜，从格陵兰岛一直到南极洲。这些望远镜精密协作，达到了能够在月球上辨认出一颗网球这样的空间分辨率。利用事件视界望远镜及其分辨能力，天文学家将梅西耶87——距地球约5 500万光年的室女座星系团中的一个大星系——的中心放大，然后将像素以数字化的方式拼接在一起。这时便出现了一个暗盘，周围环绕着一圈光晕，这表示一个巨大的黑洞正在吸收物质（见图11）。

图11中的暗圆盘表明中心区域的时空扭曲非常强烈，经过那里的光线不仅被偏转，甚至被困在里面。围绕着它的光环是物质和气体在消失在黑洞中时被加热而产生的。这个黑洞的旋转方式使得从黑洞下面到达我们的光线能量被增强，因此下面更亮一些。这是我们的近邻处质量较大的黑洞之一，它有65亿个太阳的质量，被压缩在太阳系大小的区域中。

实际上，广义相对论已经预言了黑洞应该存在。就在爱因斯坦发表了具有里程碑意义的论文几个月后，德国天文学家卡尔·施瓦西找到了该理论中核心方程的第一个解，该解描述了一个异常致密、完美球对称、质量为 M 的物体外部强烈弯曲的时空几何。因为彼时正值“一战”期间，施瓦西在俄国前线服役，因此他把自己的解写在一张明信片上，寄给身在柏林的爱因斯坦。爱因斯坦当然很高兴，并热情地将此解呈给了普鲁士科学院。

施瓦西的几何包含一个非常特殊的表面，它的位置离质心距离很近，为2 GM / c 2 。 ^[7] 在这个表面上，空间和时间似乎互换了角色。多年来，人们一直对此大感困惑。爱因斯坦认为这是这个解在数学上产生的怪异结果，没有什么物理上的意义。而施瓦西本人则认为空间和时间在某种程度上终结于这个表面。

但在20世纪30年代，笼罩在施瓦西几何之上的迷雾开始烟消云散。 ^[8] 人们逐渐清楚，施瓦西解所描述的是一个巨大的完美球状恒星因燃料耗尽而灭亡，并在引力作用下完全坍缩之后时空的最终形状。 当然，真正的恒星并不是完美的球形，因此大多数物理学家仍然怀疑这种“引力坍缩后的星体”是否真的存在。直到20世纪60年代，在罗杰·彭罗斯工作的推动下，广义相对论迎来复兴，此后引力坍缩星体这一物理实体才开始被人理解，而惠勒也创造了“黑洞”一词来描述它们。彭罗斯是伦敦大学伯克贝克学院的一名纯数学家，他引入了一整套全新的精巧工具来处理广义相对论的复杂几何，并证明：所有质量足够大的恒星，无论其初始形状或成分为何，在寿命结束时都会坍塌成黑洞。这意味着，黑洞应该是宇宙生态系统不可或缺的一部分，根本不是什么数学上的怪胎。在1969年的一篇论文中，彭罗斯写道：“我只想呼吁人们认真对待黑洞，并对其重要性进行全面详细的研究。在我们所观察到的现象的产生过程中，谁又能说黑洞不会发挥重要作用呢？” ^[9] 事实证明，这些话是具有先见之明的。在接下来的几十年里，支持黑洞存在的天文观测证据不断积累，天文学家最终在2019年首次拍摄到了这些神秘天体的朦胧照片。彭罗斯曾预言宇宙中黑洞应该无处不在，这最初只是一个纯粹的理论上的发现。55年后，他因此获得了2020年诺贝尔物理学奖。

让彭罗斯获得诺贝尔奖的1965年发表的论文 ^[10] 只有3页长，几乎没有方程式，但它有一幅描绘坍缩中的恒星如何形成黑洞的插图（见图12）。该图引人入胜，颇具达·芬奇的风格。该图给出了两个空间维度，并展示了它们如何与时间维度相融合。我们可以看到，在远离该天体的地方，未来光锥向两侧张开，这意味着光束可以像人们所预料的那样射向或远离恒星。在坍缩的恒星附近，恒星的质量使空间弯曲，从而导致光锥向内弯折。随着坍缩的进行，出现了一个特殊的面，在这个面上光锥弯折得如此之剧烈，以至于即使是以光速向外射出的光线，也只能在到恒星中心恒定距离处徘徊。由于没有东西能比光传播得更快，因此其他任何东西都无法逃脱它的引力。坍缩的恒星创造了一个与宇宙其他部分格格不入的时空区域——黑洞。

施瓦西几何中的那个特殊表面将内部的无法逃逸区与宇宙其他部分分隔开，该表面曾在广义相对论的发展早期引起过非常多的困惑。今天，它被称为黑洞的 事件视界 ，它大致对应于图11中黑盘的边缘。事件视界就像一个单向膜，物质、光和信息可以通过它进入，但任何东西都不能通过它离开。黑洞确实是个终极的密室。

很少有物理学家相信我们能在一个大黑洞的事件视界上看到或感受到多少东西，但该视界对黑洞的因果结构有着巨大的意义。在视界的内表面，空间和时间在某种意义上互换了身份。如果一个勇敢的宇航员想要冒险踏入黑洞视界，光锥越发剧烈的倾斜意味着他只能继续向中心移动。也就是说，内部空间中的径向维度具有时间维度的属性，在这个方向上人不能停止或掉头，而必须向前移动。曲率无限大的时空奇点在中心处等待着他，该奇点其实并不是空间上的某个地方，而更像是一个时间点，即时间的最后一刻。

这个扭曲到极致的奇点就是爱因斯坦方程失去其预言能力的地方（时刻）。在时空奇点上，广义相对论不再成立。这件事很令人费解。若是彭罗斯所依赖的理论框架在奇点处不适用，他又是怎么能够证明大恒星的引力坍缩会产生奇点的？彭罗斯策略的精妙之处就在于他确定了引力坍缩中的一个不归点，在这个点上形成了他所谓的 陷俘面 ，在那里，即使光也无法逃离恒星。彭罗斯表明，陷俘面一旦形成，进一步坍缩到奇点就在所难免。他的数学技巧非常强大，以至于尽管无法真的去跟踪一颗恒星坍缩到底的过程，他也能够预测这一结果。

那么，当两个黑洞进入彼此的影响范围并开始相互绕转时，又会发生什么呢？广义相对论预言，这种相互作用会产生引力波，即时空的振荡型扰动，以光速在宇宙中传播。在这里，爱因斯坦方程就派上了用场：爱因斯坦方程指出，两个相互环绕的黑洞会形成一个周期性变化的质量分布，时空会对其做出反应，并形成自己的周期性扰动。这些涟漪就是引力波。

作为几何上的涟漪，引力波携带着大量的能量。这会耗尽相互环绕的黑洞系统中的能量，导致它们螺旋向内下落，最终合并形成一个更大的黑洞。这种合并是迄今为止宇宙中最为暴力的事件。两个黑洞的单次碰撞可以产生一次引力波爆发，其功率比可观测宇宙中所有恒星辐射的所有光的功率之和还要大。尽管如此，黑洞碰撞时产生的几何波的幅度还是非常小，因为时空结构非常坚硬。 ^[11] 这就是为什么引力波的爆发尽管威力巨大，却很难被探测到。

此外，由于引力波不会与粒子发生相互作用，因此引力波爆发会直接穿过地球，从而极难探测。除了短暂地使标尺伸缩一点儿，时钟稍微快一点儿或慢一点儿外，引力波就好像身披隐形斗篷一样在行星间穿梭。为了探测引力波涟漪引起的短暂变化，你需要一个几英里长的标尺，并且测量距离的精度要高到可分辨比单个质子的直径还要小的距离。这听起来像是不可能实现的任务。然而，两个科学家团队，美国的LIGO团队和欧洲的Virgo（室女座引力波探测器）团队，已经完全做到了这一点，成就了一项令人惊叹的工程。这两个团队使用激光和大量复杂的工程来监测3对几英里长的L形真空管的长度，这3对真空管被放在地球表面上3个相隔很远的位置。经过数年的等待和倾听，2015年9月14日，LIGO团队两个L形管的支架突然开始振动，起初非常轻微，后来慢慢变得更快、更强烈，直到几秒钟后，振动再次减弱。利用爱因斯坦的理论，物理学家得以将这种短暂的振动模式追溯到10亿年前一对黑洞（每个黑洞约为30个太阳质量）在向内旋进和合并过程中产生的引力波爆发。5年来，人们已经探测到近百次这样的引力波爆发，这表明正如彭罗斯所料，黑洞确实是宇宙生态系统中不可或缺的一部分。

引力波的观测和发现，证实了爱因斯坦广义相对论中最后一个伟大的预言。它在许多方面象征着该理论的成熟，因为它标志着一个新的开始，也标志着一个时代的结束。爱因斯坦理论最初是用一个抽象的数学方程来描述空间、时间和引力，但随着对引力波的观测，它发展成为一种研究宇宙的全新方式。在伽利略首次将望远镜指向恒星的4个多世纪后，天文学家们有了一种新的感知方式，他们可以利用这种感知方式来揭示由黑洞、暗物质和暗能量主导的宇宙黑暗面。目前在全球范围内运行的引力波天文台，正是通过感知时空本身的几何结构、捕捉一个多世纪前由爱因斯坦赋予生命的引力场的微小振动，来探索我们的宇宙。

回到广义相对论的探索阶段。爱因斯坦很快意识到，他的理论可能体现了关于整个宇宙的一种全新的观点。1917年，他写信给位于莱顿的荷兰著名天文学家威廉·德西特，信中写道：“我想解决这样一个问题，即能否从相对论的基本思想出发，一直推算到结论，并确定整个宇宙的形状。” ^[12]

爱因斯坦提出，空间的整体形状就像一个球体表面的三维版本，即所谓的超球面。超球面很难想象，因为对于弯曲空间，我们一般会想象成嵌入正常三维欧氏空间中的二维曲面。但把曲面嵌入更大的空间中只是为了看起来直观一些。19世纪的数学家已经表明，曲面的所有几何性质，如直线和角度等，都可以从内定义，而不必以曲面上方或下方的任何东西为参考。 ^[13] 同样，三维超球面的弯曲形状也不需要外部参考点。它就是一个超球面。

与球体表面一样，三维超球面没有中心，也没有边界。在超球面上，无论你身处何处，空间看起来都是一样的。然而，在爱因斯坦的宇宙中，空间的总体积是有限的。因此，就像地球表面积是有限的一样，在一个超球面宇宙中，若将空间划分成具有一定大小的区域，那么不同区域的数目也是有限的。实际上，如果你在爱因斯坦的宇宙中一直沿着一条直线前进，那么你最终会从你离开的相反方向回到家，就像你在地球上方一直向前飞行，却可以环绕地球一圈一样。而且在你回来之后，什么都不会改变，因为爱因斯坦将他的宇宙设计成一个不随时间变化的宇宙。为了实现这一结果，他甚至在他的方程中添加了一个额外的项，他称之为宇宙学项，并用希腊字母 λ 表示，我们今天称之为宇宙学常数。爱因斯坦的项描述了空间中的一种暗能量，在宇宙的最大尺度上，它会显现出其效应，产生某种反引力，或者称为宇宙斥力。爱因斯坦发现，对于一个特定大小的超球面，所有物质的引力和宇宙学项产生的斥力可以完美平衡，给出一个既不膨胀也不收缩的宇宙，它存在于从过去到未来的永恒之中。这就是他所追求的宇宙，也是他认为的唯一一个符合他理论中更深层的物理意义的宇宙。

爱因斯坦通过一个方程式征服整个宇宙的壮举向我们生动地展示，广义相对论可以把我们带到牛顿定律无法触及的地方。他的静态超球面时空将宇宙的整体形状和大小与它所包含的物质和暗能量的总量联系起来，这表明他的理论确实有潜力为那些古老的问题提供神奇的答案。从某种意义上说，通过把宇宙看作一个整体来处理，爱因斯坦把古代世界模型无法涵盖的外界折叠进了现代科学的领域。尽管他的宇宙模型后来被证明有很大的错误，但他开创性的探索标志着现代相对论宇宙学的诞生。

然而直到10余年之后，勒梅特才发现，相对论的真正宇宙学含义远远超出了爱因斯坦和其他人的想象。

乔治·勒梅特是一个有趣、和蔼可亲的人。 ^[14] 他于1894年出生在比利时南部的沙勒罗瓦市。由于“一战”爆发，他不得不放弃大学工程课程去服兵役。1914年8月德国入侵比利时时，年轻的乔治志愿加入比利时军队的步兵部队，并参加了在法国边境打响的伊瑟河战役。这场战役持续了两个月，最终比利时军队涌入该地区并阻止了德国的前进。据说在形势稍微安稳一些的时候，勒梅特就通过阅读一些物理学经典著作，包括庞加莱的《宇宙起源假设的启示》等，试图在战壕里放松一下。家族里传说他曾指出军事弹道手册中的一个数学上的错误，这还惹怒了一位陆军教官。

肩负着双重使命感，勒梅特战后进入了鲁汶天主教大学学习物理，同时入读了马林神学院。在那里，他获得了红衣主教梅西耶的特许，学习爱因斯坦的新相对论理论。1923年，他成为神职人员，然后穿过英吉利海峡，与爱丁顿一起在剑桥大学天文台工作。

勒梅特酷爱阅读哲学和物理学著作。他很可能受到了18世纪苏格兰哲学家大卫·休谟的思想的启发，结合数学理论和天文观测开辟出了一种科学方法。休谟在他的代表作《人类理解研究》中指出，经验是知识的基础。休谟在承认数学的力量的同时，也告诫人们不要去做脱离现实世界的抽象推理：“如果我们先验地进行推理，任何东西都可能产生任何东西。一颗鹅卵石的下落可能会熄灭太阳，或者浇灭一个人想要控制轨道中的行星的愿望。谁知道呢？”休谟强调经验是我们所有理论的基础，并以此奠定了科学实践基础——一个植根于实验和我们对宇宙的观测的归纳过程。

本着类似的精神，勒梅特将他的观点总结如下：“每一个想法都以某种方式来自现实世界，正如谚语所云，‘没有任何智慧不是先存在于感觉之中的’。 诚然，源于实际的想法必须超越实际，遵循自然的思路，遵循基本的智力活动规律。但这也许是物理学的奇异性给我们的最有价值的教训之一：这种思路必须是可控的，它不能失去与实际的联系，它必须让自己与实际情况相符合。和许多其他领域一样，在这个领域，我们必须在如梦幻般但是会误入歧途的理想主义与狭隘、刻板的实证主义之间找到一个令人满意的平衡点。” ^[15]

随后，勒梅特从英国的剑桥搬到了美国马萨诸塞州的剑桥，在哈佛大学天文台工作，在1925年1月，他在华盛顿见证了那场“大辩论”的尾声。辩论的问题是，自中世纪以来就为人所知的天空中的旋涡星云，究竟是银河系中的巨大气体云，还是遥远的独立星系。美国天文学家埃德温·哈勃和他的同事们用当时世界上最强大的望远镜——位于帕萨迪纳附近威尔逊山上的新胡克100英寸望远镜，将两个星云（仙女座星云和三角座星云）的一部分分解成不同的恒星，然后利用这些恒星中脉冲造父变星的特征来估计它们的距离。 令他们惊讶的是，计算出的距离是将近100万光年。如此远的距离说明它们早就远离了我们银河系的边界，并证实了它们确实是独立的星系。哈勃望远镜的观测一下子就使宇宙的直径扩大了1 000倍。

甚至，大多数星云似乎都在远离我们而去。早在1913年，在科罗拉多大峡谷附近的洛厄尔天文台 工作的天才天文学家维斯托·斯里弗就注意到，大多数旋涡星云的光谱都向光波波长更长的方向移动。 当人们看到离自己远去的光源发出的光的时候，就会出现这种频率移动，这种现象被称为多普勒频移。我们对声波产生的多普勒频移很熟悉——想想救护车驶过时警笛声的变化就知道了。同样的现象也适用于光波，光源离我们远去会导致光的整体颜色变红，这在宇宙学中被恰如其分地称为 红移 。到了20世纪20年代中期，斯里弗已经测量了至少42个旋涡星云的光谱，发现只有4个正在靠近银河系，而有38个正在远离银河系，其速度可能高达1 800千米/秒，远大于当时已知的任何其他天体的速度。事后看来，斯里弗在如图13所示的表中列出的星云速度，是我们最早发现的宇宙膨胀迹象。 ^[16]

1925年，在回到鲁汶后，勒梅特意识到了斯里弗观测结果的意义。据说当时他比包括爱丁顿和爱因斯坦在内的任何人都更了解广义相对论。勒梅特发现爱因斯坦创造的静态宇宙非常不稳定。它看起来就像针头向下立在桌面上保持平衡的针一样，只要轻轻一推，它就会开始动。勒梅特的天才之举是，他抛弃了已经根深蒂固的宇宙永恒不变的观念，从广义相对论中解读出了它呼之欲出的观点：宇宙在膨胀。爱因斯坦理论由于将质量和能量与时空形状捆绑在一起，不可避免地会导致空间随着时间的推移而发生变化，并且这不仅仅是局部的，而是 整体 的，是在整个宇宙尺度上都在变化。勒梅特总结道，爱因斯坦出于他对宇宙应该如何存在的哲学偏见，设计了一个静态世界，并用它推翻了自己方程式最戏剧性的预言。在1927年的一篇影响深远的论文中，勒梅特预言了空间的膨胀，这篇论文确立了广义相对论理论与整个物理宇宙的行为之间的根本联系。 ^[17] 而他自己则以特有的轻描淡写的方式回忆道：“我碰巧比大多数天文学家更像数学家，比大多数数学家更像天文学家。” ^[18]

勒梅特知道，膨胀的宇宙与普通的爆炸大相径庭。爆炸会在一个特定的位置起爆。例如，如果你从远处观察一颗正在爆炸的恒星，那么当你把目光移向恒星和移开恒星的时候，空间看起来是不一样的。但对于一个膨胀宇宙来说，情况并非如此。膨胀中的宇宙既没有中心也没有边界，因为是空间本身在伸展。如果硬说与前者有什么相同点的话，那就是，这是空间的爆炸。“星云（星系）就好像一个气球表面的微生物，”勒梅特详述道，“当气球膨胀时，每一个微生物都觉得其他微生物在后退，它便认为自己处在中心处——但那仅仅是认为。”1930年，一幅关于勒梅特这一比喻的卡通插图被刊登在了荷兰的一家报纸上（见插页彩图2）。

当光波从一个“微生物”传播到另一个“微生物”处时，其波长会随着空间的拉伸而拉伸，因此不断地使光的颜色变红。这使得遥远的星系看起来似乎在远离银河系，尽管它们实际上没有移动。因此，星云光谱的红移并不是像斯里弗和哈勃所认为的那样，是由于星系的真实运动而产生的真正的多普勒频移，而仅仅是空间本身膨胀的结果。我试图在图15中说明这一点。因为我在一张纸上只能容纳这么多维度，所以我再次隐去了两个空间维度，只留下一个，这里用一个环形来描述。环的内外空间并不是宇宙的一部分，只是为了好看。所以我们有一个一维的环在拉伸，随着时间的推移，这个环的半径越来越大。我们可以看到，这使得星系之间的距离变大了。

我们所观察到的红移程度取决于我们接收到的光在多久以前——也就是在多远处——发出。勒梅特计算出，如果宇宙以恒定的速度膨胀，那么星系的视退行速度 v 和它与我们的距离 r 之间必然存在一个线性关系。他在1927年发表的论文中用“方程（23）”给出了这一关系，即

v = Hr

这一关系表示，星系退行的视速度 v 应该和它们与我们的距离 r 成正比。这一关系式中的比例因子 H 可衡量宇宙的膨胀速率。为了寻求对其预言的观测佐证，勒梅特查阅了斯里弗对42个星云样本的红移测量结果，以及哈勃对它们的（高度不确定的）距离测量结果。勒梅特估计，每隔300万光年的距离，星系的退行速度就会快上大约每秒575千米。

这一发现开创了自牛顿以来宇宙学最大的范式转变 。然而，当时几乎没有人注意到这一点，勒梅特收到的少数几个反馈也并未包含多少鼓励。勒梅特将他的论文副本寄给了爱丁顿，爱丁顿却把它弄丢了。而为了让宇宙保持静止乱改自己理论的爱因斯坦也不想再考虑这个问题。事实上，在第5届索尔维会议上，他与勒梅特曾有过一次短暂会面，双方有过一番激烈的交锋。 在会面中，爱因斯坦向勒梅特指出，他的方程给出的描述膨胀宇宙的解在4年前已经被来自圣彼得堡的年轻数学家亚历山大·亚历山德罗维奇·弗里德曼（Alexander Alexandrovich Friedmann）发现，而弗里德曼不久后便去世了。 对爱因斯坦（以及弗里德曼）来说，这样的解只是从相对论中诞生的数学怪胎，对真实宇宙没有任何意义。静止的宇宙看起来才更完美，更令人愉悦。因此据我们所知，在弗里德曼去世、爱因斯坦否认、爱丁顿对勒梅特的发现视而不见的情况下，20世纪20年代末，地球上只有一个人意识到，什么才是广义相对论最深远的预言。

但勒梅特没有放弃，他开始研究宇宙的成长过程。他在位于鲁汶的家里工作，那里以前是一家酿酒厂，他探明了一个三维超球面 在被不同数量的物质和暗能量填充时大小的变化。插页彩图1中展示了他发现的这些宇宙的范围，根据广义相对论，每个宇宙都在不断膨胀和演化。这些由勒梅特于1929年或1930年在黄色坐标纸上精心计算而得的图表，成了20世纪最杰出的科学文献之一。它们与主流世界观的分道扬镳具有史诗般的意义，它们确实改变了世界。

1929年，哈勃用威尔逊山上那台仍旧任由他使用的强大望远镜，为距离–速度的线性关系提供了有力的实验证据，以至于这一关系——勒梅特1927年论文中的方程（23）——后来被称为哈勃定律 ^[19] ，尽管事实上哈勃并没有提到膨胀，也至死没有相信对观测结果的相对论解释。但抛开这一点，这一观测结果确实也是惊世之作。哈勃得到了米尔顿·赫马森的帮助，他曾是一名赶骡人，也是最后一批没得到大学学位就进入该领域研究的天文学家之一，他为捕捉遥远星云的微弱光线做出了英雄般的巨大努力。据说，为了测量单个星云的光谱，赫马森仔细观测了整整三个晚上。

哈勃和赫马森的伟大观测成了相对论宇宙学的转折点。1930年1月，爱丁顿在皇家天文学会召开了一次会议来讨论这一问题，并被人提醒了勒梅特1927年发表过的文章，他下令立即在《皇家天文学会月报》上刊登其英文译本。面对天文学的证据，爱因斯坦也承认了这一点。他立刻接受了宇宙膨胀，并抛弃了添加到方程中来让宇宙保持不变的 λ 项。他说，他对这一项一直有一种不好的感觉，认为它严重损害了他的理论的数学美。对于他这一新的没有累赘的理论，他写信给美国天文学家理查德·托尔曼说：“这真让人感到无比满意啊。”

然而矛盾的是，勒梅特对此又持有截然不同的观点。他认为爱因斯坦的项是该理论的一个很精妙的补充，当然这一补充不是为了设计出一个静态宇宙（这是爱因斯坦的动机），而是为了解释与一无所有的空间相关的能量。在这一点上，爱丁顿同意勒梅特的观点，他一度宣称：“我宁愿回到牛顿理论，也不愿意放弃宇宙学常数。” ^[20] 爱因斯坦从几何角度推理，将这一项添加在了方程的左边，但爱丁顿和勒梅特认为这是方程右边宇宙能量的一部分。他们认为，如果时空是一个物理场的话，那么它难道不应该有自己的内在属性吗？宇宙学常数正是其内在属性：它使时空充满能量和压强。正如一碗牛奶含有一定量的能量（由其温度决定）一样，宇宙学常数项让空无他物的空间中充满了大量的暗能量和暗压强，其数量则由常数的数值决定。勒梅特写道：“有了这一项，一切都好像真空中有了非零的能量一样。” ^[21]

宇宙学常数会产生反引力效应，是因为它充斥于空间的压强是负的。负压并不奇怪，这就是我们常说的张力，就像拉伸的橡皮筋中的力一样。在爱因斯坦理论中，负压导致“负引力”或反引力，这就是宇宙加速膨胀的原因。

然而当空间伸展的时候，它的内在属性是不变的。因此，与正常物质或辐射的能量不同，时空中的暗能量不会随着膨胀的进行而被稀释，甚至在空间变大时还可能成为宇宙演化的决定性因素。在勒梅特的图（见插页彩图1）中，靠底端的曲线所对应的超球面宇宙情况还不是这样。在这类宇宙中，空间中具有的暗能量密度很小，因此引力总体上是吸引的，宇宙大小的变化就像一颗棒球被抛到空中的轨迹一样：一开始在增大，但在暗能量的反引力积累起来并施加影响之前就已达到了最大值，然后再坍缩，变成“大挤压”。但如果宇宙学常数的值再大一些的话，它就可以抵消物质的引力，大大地改变宇宙演化的进程。暗能量足够多的宇宙，其膨胀路径会从类似棒球的轨迹转变为类似不断加速的太空火箭。这正是勒梅特在其图表靠上部的曲线中展示的行为。

事实上，除了考虑空无一物的空间的性质，勒梅特还有第二个保留常数的理由。这个理由同样有趣，我在第1章中已有暗示。这与宇宙的宜居性有关。通过仔细调整 λ 的数值，他可以得到一个膨胀速度非常缓慢的宇宙，因而星系、恒星和行星等都可以在其中形成。这个徐行中的宇宙是目前为止勒梅特提出的最适于生命存在的宇宙：它对应于插页彩图1中那条唯一的趋近水平的曲线。（不过，如果勒梅特继续往下计算的话，哪怕是这个宇宙，最终也会开始加速。）

勒梅特和爱因斯坦在他们的余生里都在为这个“小 λ ”争论不休，从未达成一致。当他们围着加州理工学院的雅典娜神殿餐厅散步时，记者们跟了上去，并写道，无论他们去哪里，“小羊羔” ^[22] 都会跟着他们。爱因斯坦在后来与勒梅特就此话题的通信中做出让步，称如果他“能够证明其存在，这将会非常重要”。 这是他能重新考虑他那声名狼藉的常数项的最大限度。不到80年后，我们迎来了一个真正引人注目的进展，其中包括对一种爆炸性恒星（被称为超新星）的光谱的高精度天文观测。这将证明勒梅特是正确的：我们确实生活在一个缓慢行走的宇宙中，尽管它的缓行期在几十亿年前就已经结束。

然而，在插页彩图1勒梅特的图中，最令人难以理解的“细节”或许隐藏在左下角，在那里，他写了“ t = 0”，即 时间零点 。

你可以看到，勒梅特在1927年最初提出的膨胀宇宙并没有一个开始。相反，勒梅特假设在无限远的过去，宇宙就已经在从一个近乎静止的状态缓慢、渐变地演化。而到了1929年，他已经意识到，在遥远的过去的这种安排很像是爱因斯坦那根针头朝下取得平衡的针，所以他放弃了这一设想，而选择了一个真正的开始。勒梅特得出的结论是，膨胀意味着宇宙的过去一定与现在天差地别。“我们需要一个彻底修改我们宇宙观的理论，”他认为，“那就是宇宙进化的‘烟花’理论。” ^[23]

他大胆超越爱因斯坦理论，将宇宙的起源设想为一个超级重的原始原子，其壮观的解体过程将产生我们今天所看到的浩瀚宇宙。“我们站在冷却的余烬中，看到太阳的缓慢衰落，并试图回忆起世界起源处已消逝的光辉。”他在他的专题论文《原始原子的假设》中这样写道。为了寻找宇宙激烈的诞生过程的“化石”遗迹，勒梅特对宇宙射线产生了兴趣，他把这看作那个上古火球留下的象形文字。为了破解它们的轨迹，他在他的职业生涯后期购买了最早的电子计算机之一博勒斯E101，这是他在1958年的布鲁塞尔世博会上看到的。在他的学生的帮助下，他将这台计算机搬上了鲁汶大学物理系的顶楼，并建立了学校第一个计算中心，这件事广为人知。

尽管膨胀宇宙的思想在20世纪30年代初已被广泛接受，但任何有关宇宙有一个开端的讨论都遭到了极大的质疑。“现在的自然秩序有一个开端，这个念头令我反感，”爱丁顿断言，“作为一名科学家，我根本不相信宇宙是从一次爆炸开始的。这感觉好像有什么未知的东西正在做着我们不知道的事情。” ^[24]

爱因斯坦最初也否定了宇宙有开端的想法。就像他对施瓦西球形黑洞内部奇点的看法一样，他认为时间零点是勒梅特以完全对称、均匀的方式膨胀的宇宙中的一个奇怪之处。他推断，由于真实的宇宙不是完全均匀的，当你将膨胀的宇宙向回追溯时，宇宙中的万物开始的时间点会彼此错开，这样就成了宇宙收缩和膨胀的循环，而不是直接开始。他发现这在哲学上更令人满意。勒梅特回想起了他们在1957年的谈话：“在加利福尼亚州帕萨迪纳的雅典娜神殿餐厅，我再次见到了爱因斯坦。他谈起了他对宇宙在某些条件下不可避免有个开端这一性质的怀疑，并提出了一个非球对称宇宙的简化模型。我毫不费力地计算出了该模型的能量张量，表明爱因斯坦所认为的（避免开始的）漏洞是不成立的。” ^[25] 然而勒梅特对宇宙开端的必然性似乎与爱因斯坦有着同样的感觉，他指出：“从美学的角度来看，这很不凑巧。一个不断膨胀和收缩的宇宙具有令人无法抗拒的诗一般的魅力，让人联想到传说中的凤凰。”

然而，宇宙是什么样就是什么样。尽管相对论宇宙学的开拓者们具有哲学和美学的倾向，但相对论宇宙学本身却强烈地指向了一个真正的开端，并且从来未曾改变。也就是说，时间零点——勒梅特所谓的“没有昨天的那一天”——成了广义相对论中的又一个奇点，在这一点处时空曲率变得无限大，爱因斯坦方程也随之失效。因此，说来也奇怪，大爆炸既是相对论宇宙学的基石，又是它的致命弱点——它不可避免，但看起来又无法理解。

这一状况让人非常摸不着头脑。如果时间是从大爆炸开始的，那么关于在此之前发生了什么的所有问题都将显得毫无意义。哪怕猜测是什么造成了大爆炸也没有意义，因为原因先于影响，并且需要一个时间的概念。在时间起源处，基本因果关系看起来似乎瓦解了，这是爱丁顿和爱因斯坦与勒梅特的辩论的核心所在。爱丁顿和爱因斯坦非常不情愿思考宇宙的开端，因为似乎有个真正的开端就意味着需要某种超自然的力量来干预自然的进化过程。整个20世纪，越来越多的证据表明宇宙正是以一种对生命进化非常有利的方式起源的，在这种情况下，这种不情愿感变得越来越强烈。事后看来，爱丁顿和爱因斯坦的怀疑也是情有可原的！

爱因斯坦和爱丁顿对宇宙开端的观点深深植根于从牛顿开始的古老决定论，它与爱因斯坦的经典广义相对论是相符合的。在这个方案中，任何开端都需要初始条件，其精细调节程度与从中演化出来的宇宙相同。一个在演化后期变得很复杂的宇宙需要在早期具有相同复杂程度的初始条件。一个看起来专为孕育生命而设计的宇宙需要在一开始具有同样适合生命诞生的初始条件。这就好像是有一只“上帝之手”卷入其中，让我们这个被精细调节的、适宜生命居住的宇宙运转起来。

但勒梅特领先了决定论一大步。他提出采用量子的起源观点来打破因果链，并在《从量子理论的角度看世界起源》一文中解释了他的立场。该文发表于1931年5月的《自然》杂志上。 ^[26] 勒梅特这篇宇宙史诗般的短评是20世纪最大胆创新的科学论文之一，它不超过457个单词，但可以被视为大爆炸宇宙学的宪章。据我所知，他在这篇短评中首次提出，相对论和量子理论这两大革命有着深刻的联系，宇宙的起源应该是科学的一部分，它受我们可以理解的物理定律支配，只不过这些尚未被发现的定律将会是量子理论和引力的混合物。勒梅特认为，我们必须将量子理论和相对论融合在一起，因为后者表明宇宙诞生之初会发生一场大爆炸，而前者对大爆炸又很重要。他设想，这种统一将提供一种强大而深入的综合，从而将宇宙的起源融入自然科学领域中。后来的事实表明，这些观点富有先见之明，今天的物理学家们喜欢说，大爆炸就是终极的量子实验。

量子理论给物理学注入了无法避免的不确定性和“模糊性”的元素。勒梅特推测，在宇宙早期的极端条件下，甚至连空间和时间都会变得模糊和不确定。“在宇宙的开始，空间和时间的概念将完全没有任何意义，”他在他的大爆炸宣言中写道，“只有当最初的‘量子宇宙’被划分为足够多的量子时，空间和时间才开始有意义。”他又神秘而令人费解地补充道：“如果这个提议是正确的，世界的开始要比空间和时间的开始稍早一点儿。”

但量子不确定性要怎样解决大爆炸带来的因果关系难题呢？勒梅特想到的是，随机量子跳跃可以从一个简单的原始原子产生一个复杂的宇宙。如果今天宇宙的复杂性是其胚胎进化过程中无数定格事件的结果，而不是一开始就完美安排好的初始条件的必然结果，那么宇宙有开端的这一整套想法不就更容易接受了吗？勒梅特在《自然》杂志上的那篇短评的结尾处在考虑量子起源的含义时写道：“很明显，初始量子本身无法涵盖整个演化进程。世界的故事也不需要像留声机唱片里的歌曲那样全被刻录在第一个量子里……相反，同一个开端可能会演化出非常不同的宇宙。”

事实上，由于量子起源的想法看起来除掉了时间起源带来的麻烦，勒梅特将其视为他的新宇宙学的中心支柱，尽管他从未写下一个原始原子的方程式来证实他的观点。勒梅特在他的大爆炸宣言中所思考的宇宙开端的直观图像是极其简单的，他设想的原始原子就像一个抽象的、浑然一体的、处于原始状态的宇宙蛋。这让我想起了罗马尼亚雕塑家康斯坦丁·布兰库希的作品《世界之初》（见插页彩图6）。

英国量子物理学家保罗·狄拉克是原始原子假说的早期支持者。他甚至更进一步，推测早期宇宙中的量子跳跃可以完全取代我们对初始条件的需求。会不会在量子起源中，因果性就消失了？在一个量子世界，也就是我们这个世界中，“第一原因”的神秘性也消失了？

保罗·狄拉克于1923年以学生身份来到剑桥，与勒梅特同一年，他也希望能跟随爱丁顿学习相对论。但他被分配到另一个方向，该方向将他引入了粒子的量子理论，他后来在这一领域中形成了几乎无与伦比的深刻见解。狄拉克发现了以他的名字命名的方程式，将爱因斯坦的狭义相对论与量子理论统一起来，并预言了反物质的存在，这为他赢得了1933年的诺贝尔奖。后来，他成为剑桥大学第15位卢卡斯数学讲席教授。不过，狄拉克是一个怪人，出了名地害羞和安静，一些同事说他几乎没有存在感。在20世纪70年代末，有一次，史蒂芬和他的妻子简邀请狄拉克夫妇在星期天下午到家里喝茶。史蒂芬那时的研究助理唐·佩奇正与他们住在一起，并帮助参与史蒂芬的日常护理。他决定留下来倾听这两位20世纪物理学巨人之间的对话，但似乎他们谁都没说一句话。

位于佛罗里达州塔拉哈西的狄拉克档案馆中有一幅漂亮的勒梅特铅笔画像，这是1930年勒梅特在剑桥大学卡皮查俱乐部演讲时一位听众所画的。这幅画如图16所示，还附有一个说明：“但我不相信上帝的手指在搅动以太。”根据狄拉克的回忆（在他于1971年写的一段附言中），“在勒梅特的演讲中，有很多跟量子不确定性的作用有关的讨论”。狄拉克和勒梅特都发现，量子力学中有一种方法能解开由关于宇宙之初的决定论观点带来的因果论症结，即追溯当今宇宙复杂性的根源，一直追溯到随宇宙诞生而产生的随机量子跳跃。从某种意义上说，这些跳跃把宇宙学演化变成了一个真正的创造性过程。

1939年，在爱丁堡皇家学会，狄拉克因获得斯科特奖发表了一次演讲。在盘点了近10年来激动人心的重大发现后，他回到了勒梅特的原始原子假说：“新的（膨胀宇宙的）宇宙学在哲学上可能会比相对论或量子理论更具革命性，尽管目前人们很难意识到它的全部含义。” ^[27] 又过了70年，在摆脱了一些偏见之后，我和史蒂芬的合作之旅才真正使这些哲学含义浮出水面。

* * *

当时，能够证实原始原子假说或类似假说的观测仍然远在天边。经历过20世纪30年代初的鼎盛时期后，宇宙学有点儿像科学上的一潭死水，其特点是数据严重不足、推测天马行空。宇宙学家则获得了不靠谱的名声，“经常出错，但从不质疑”。

实际上，在20世纪50年代，大爆炸理论几乎从公众视野中消失了。1949年，英国天体物理学家弗雷德·霍伊尔在英国广播公司（BBC）的一次广播采访中，大声反对勒梅特的理论。他创造了“大爆炸”一词以示嘲讽，并将该理论描绘为“一个无法用科学术语描述的非理性过程”。霍伊尔抓住一切机会将大爆炸宇宙学描绘为一种和谐主义者 努力追求的伪科学。霍伊尔附和爱丁顿的观点，他表示：“对于宇宙的起源，不可能有任何因果性的解释，实际上不可能有任何类型的解释。将大爆炸宇宙学紧紧搂在科学的怀抱里，这种狂热显然源于对《创世记》第一页的深深执念，是宗教中最强烈的原教旨主义。” ^[28] 他建议：“无论何时，只要有人使用‘起源’一词，他说什么你都不要相信！” ^[29]

霍伊尔与赫尔曼·邦迪和托马斯·戈尔德合作，提出了一个与大爆炸竞争的宇宙模型——稳恒态理论，该理论在20世纪50年代成了大爆炸理论的一个有力的竞争者。稳恒态理论认为，尽管宇宙一直在膨胀，但它保持着恒定的平均密度，因为不断有物质被创造出来，形成新的星系，充斥着因老一代星系的远离而不断被腾出来的空间。在大爆炸宇宙学中，大多数物质都是在原始热浪中产生的，而在稳恒态宇宙中，物质的产生是一个缓慢而持久的过程。霍伊尔的稳恒态宇宙既没有开始也没有结束，这有点儿像多元宇宙的迷你版，只是其不断产生的是新的星系而非宇宙。

然而与此同时，身材魁梧的苏联物理学家乔治·伽莫夫（朋友们称他为“吉吉”）对热大爆炸不寻常的环境进行了更深入的研究。伽莫夫是一个活泼有趣的人物，他有能力结识各行各业的人，从托洛茨基和布哈林到爱因斯坦和弗朗西斯·克里克，而且还经常是在一些重大场合中。 ^[30] 伽莫夫在乌克兰城市敖德萨长大，在圣彼得堡学习，在那里他跟亚历山大·弗里德曼学习了广义相对论。苏联对科学研究的干预让伽莫夫感到沮丧，因此他和妻子试图从克里米亚半岛南端划船穿过黑海，逃离乌克兰，前往土耳其。开始一切都很顺利，但海上旅行两天后，他们遇上了风暴，并被卷回了克里米亚。但伽莫夫夫妇并没有放弃。1933年，当尼尔斯·玻尔邀请伽莫夫出席在布鲁塞尔召开的第7届索尔维会议时，他们抓住机会移民去了美国。

伽莫夫既不是数学家，也不是天文学家，而是一位核物理学家，他将最初几分钟时膨胀的宇宙想象成一个巨大的核反应堆。伽莫夫与拉尔夫·阿尔弗和罗伯特·赫尔曼合作，他们假设宇宙大爆炸非常炽热，研究组成我们及我们周围万物的那些化学元素是否也曾经在这个宇宙原始烤箱中被炙烤。他推断，如果原始宇宙的密度和温度都高到连原子核都无法存在，那么元素周期表一开始将会空无一物，除了第一种元素氢，它只是一个单质子粒子。整个宇宙将充满一种超致密的热等离子体，伽莫夫称之为“伊伦”（Ylem），以表示“物质”的希腊语ύλη命名。这种等离子体中含有原子的基本组成部分——电子、质子和中子，它们自由移动，且浸在热辐射中。但当宇宙膨胀并冷却时，中子和质子便会结合形成复合原子核。首先形成的是氘核，这是一种重氢元素，由一个质子和一个中子组成，它再与更多的质子和中子融合形成氦。伽莫夫及其团队将核物理定律与空间的膨胀过程相结合，计算出原始宇宙中的核聚变将会在大爆炸后的100秒左右开启，在几分钟后结束。那时宇宙膨胀会让温度降低到1亿度，这个温度低到足以关闭宇宙核反应堆。他们发现，这个短暂的时间窗口足以将宇宙中约1/4的质子转化为氦原子核，还有少量较重的元素，如铍和锂等。伽莫夫及其团队预言的这些轻元素的相对丰度与天文学家迄今的测量结果非常吻合。今天，这被视为热大爆炸理论的关键检验之一。

然而，伽莫夫的工作中还隐藏着一个更重要的预言——如果它能被证实的话。阿尔弗、伽莫夫和赫尔曼意识到，原子核合成过程中释放出的热量今天应该仍然存在，并像残余辐射的海洋一样充满整个空间。毕竟，它还能去哪里呢？它也只能分布在这个宇宙中了。他们的计算表明，宇宙数十亿年的膨胀会将热辐射温度冷却到约5开尔文，即–267摄氏度。这种冷辐射会让宇宙发光，且主要频段是在电磁波频谱的微波频段。因此在今天，宇宙，也就是全部的空间，应该充斥着微波。这是一个非常重大的发现：伽莫夫和他的合作者发现了热大爆炸时期的一个“化石”遗迹，而且，只要我们用对微波敏感的“眼睛”来观察深空，它应该触手可及。

事实的确如此。热的物体会辐射，宇宙也不例外。1964年，两位美国物理学家阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现了宇宙微波背景辐射，简称CMB。彭齐亚斯和威尔逊并不知道伽莫夫的工作，他们在新泽西州霍尔姆德尔的贝尔电话实验室校准一个巨型微波喇叭天线（该天线原本被用来跟踪回声号气球卫星）时，发现天线发出持续的嘶嘶声，该现象他们无法解释。他们无论朝天空的哪个方向转动天线，都会得到完全一样的噪声，波长为7.35厘米，昼夜不停。他们与当地研究宇宙学的朋友讨论，很快意识到天线的嘶鸣有一个很棒的原因：它接收到了热大爆炸微弱的残余辐射——这份“电报”来自由勒梅特最初设想、伽莫夫后来证认的时间之初。

彭齐亚斯和威尔逊对古老微波辐射的发现震惊了全世界。科学界终于意识到宇宙膨胀真的具有长期效应，这意味着遥远的过去与现在真的是天差地别。这一认识从根本上改变了关于宇宙起源的争论。几乎在一夜之间，宇宙膨胀的最终原因，这个30年前让爱因斯坦和勒梅特一争高下的谜团，被移至理论宇宙学的中心，并一直保持至今。

1966年6月17日，就在勒梅特去世的三天前，他在医院得知了CMB的发现。一位密友告诉他，证明他的理论正确性的“化石”遗迹终于被发现了。据报道，他回答道：“我很高兴……现在我们有证据了。” ^[31]

这位“大爆炸之父”同时也是一位天主教神父，这要放在现在似乎有些奇怪。但勒梅特明白如何在爱因斯坦和教皇之间左右逢源，他不厌其烦地向别人解释为什么他觉得自己立志遵循的“通往真理的两条道路”——科学和救赎——之间没有冲突。在接受《纽约时报》的邓肯·艾克曼采访时，勒梅特引用了伽利略关于科学与宗教的观点 ，他说：“一旦你意识到《圣经》并不是一本科学教科书，一旦你认识到相对论与救赎无关，科学与宗教之间古老的冲突就会消失。”他又补充道：“我对上帝太过尊重，无法将他归结为一个科学假设。” ^[32] （见插页彩图5。）从他的著作中我们可以非常清楚地看出，勒梅特在这两个领域之间没有感受到任何冲突。有人甚至在他身上发现了某种自由自在的感觉。“事实证明，若要彻底寻找真相，既要寻找灵魂，又要寻找宇宙光谱。”他曾经如是说道。

20世纪60年代初，勒梅特已获得蒙席 的荣誉称号，并担任宗座科学院院长，他在努力推进科学院扶持优秀科学研究的目标的同时，也相当尊重科学与宗教在方法论和语言上的差异，以此保持与教会的良好关系。和谐主义者往往追求使信仰的真谛与科学的发现相一致，但勒梅特不是这样，他坚持认为，科学和宗教各自都有自己的地盘。关于原始原子假说，他这样说：“这样的理论完全不涉及任何形而上学或宗教问题。它让唯物主义者有否定任何超凡生物存在的自由……而对于信徒来说，它打消了任何试图与上帝亲近的念头。它与以赛亚 ‘隐藏的上帝’的说法一致，即使在创世之初，他也是隐藏的。” ^[33]

勒梅特在这些问题上更正式的立场无疑受到了他在鲁汶大学跟随红衣主教梅西耶开创的新托马斯主义哲学流派学习的影响。这一流派接受现代科学，但否认其本体论意义。在梅西耶的研究所里，勒梅特学会了区分“存在”的两种层面，一是物理世界在现世意义上的开始，二是关于存在的形而上学问题：“我们可以把这个事件（原始原子的解体）说成是一个开端。我并没说这就是创世。在物理上所发生的一切都表明它好像就是一个真正的开端，这个开端的意义在于，即使以前发生过什么，它对我们宇宙的行为也没有明显的影响……我们宇宙任何前世的存在都具有形而上学的特征。”

这种区分让这位神父把研究宇宙的物理起源视为自然科学的机遇，这不仅可能，而且是显然的。但爱因斯坦却把它视为对物理理论的威胁。因此，他们科学辩论的核心是哲学立场不同。对于科学最终想要了解关于世界的什么，他们似乎有着截然不同的概念。勒梅特似乎已经非常清楚地认识到，我们进行科学研究的能力仍然植根于我们与宇宙的关系，无论这种关系有多么抽象。他的双重身份激励着他仔细划定科学领域和精神领域的界限。这成就了一种脱离于教条的信仰，以及一种植根于人类境况的科学。在勒梅特老家的村子里举行的一次纪念活动上，他的一位侄女告诉我，在家庭聚会时，她的堂兄弟们喜欢挑战乔治，逼问他他的原始原子是从哪里来的。“哦，来自上帝。”他会开玩笑地告诉他们。

相比之下，爱因斯坦是一个理想主义者。他的广义相对论是无与伦比的杰作。这一成就坚定了他的信念，即人们终会发现一个永恒的数学真理下的终极理论，它决定了宇宙应该是怎样的。在所有与起源有关的问题上，爱因斯坦所秉持的彻头彻尾的因果性和决定论的态度，反映了这一点。然而，他自己的相对论却完美地预言了大爆炸既是宇宙的起源，也是时间的起源，这严重挑战了他的立场。

在接下来的章节中，我将论证勒梅特的观点最终将会是解开大设计之谜更可靠的指南。事实上，爱因斯坦与勒梅特的对决正反映了70年后霍金将要走过的历程。早期的霍金坚持爱因斯坦的观点，认为我们正在发现物理学中凌驾于物理宇宙之上的客观真理。而在更深层次的哲学层面上，我们的故事又说明了史蒂芬如何以及为何冲破了爱因斯坦的观点，转而采纳勒梅特的观点，以及这不仅对我们关于大爆炸的概念，更是对未来宇宙学的发展议程来说，都意味着什么。

[1] Georges Lemaître, “Rencontres avec Einstein,”in Revue des Questions scientifiques (Bruxelles: Société scientifique de Bruxelles, January 20, 1958),129.

[2] 1963年，乔治·勒梅特做了最后一次公开演讲，主题为“宇宙与原子”，该演讲的听众是当时鲁汶大学的学生们。这里的措辞比他通常表达立场时所用的要强烈一些，这无疑反映了他因反对者的态度而感到了挫败。对于勒梅特在科学和宗教关系方面（时有变化）的观点的深入阐述，以及对这次演讲的分析，见多米尼克·朗贝尔的 L’itinéraire spirituel de Georges Lemaître (Bruxelles: Lessius, 2007)。

[3] 1892年，汤姆森被授予第一任拉格斯的开尔文勋爵。这个头衔是以流经他在格拉斯哥大学的实验室附近的开尔文河命名的。今天我们得知开尔文勋爵，主要是因为他的名字被用于绝对温标。开尔文确定了绝对零度温度的值约为零下273.15摄氏度。他还主持了一项史诗般的工程，在爱尔兰和纽芬兰之间铺设了第一条跨大西洋的电报电缆。这里开尔文的话引自Lord Kelvin, “Nineteenth Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light,” Philosophical Magazine 6, no. 2 (1901):1–40。

[4] 引自Abraham Pais, “Subtle Is the Lord—”: The Science and the Life of Albert Einstein (Oxford: Oxford University Press, 1982)。

[5] John Archibald Wheeler and Kenneth Ford, Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics (London: Norton, 1998), 235.

[6] Pais, “ Subtle Is the Lord .”

[7] 这不是这个半径第一次出现在物理学中。早在18世纪，约翰·米歇尔和皮埃尔–西蒙·拉普拉斯就利用牛顿力学发现，一个被压缩在该半径内、质量为 M 的球体，其逃逸速度将等于光速。这种假想的物体将无法辐射光粒子，这可以被看作黑洞的前身。

[8] 可参见Georges Lemaître, “L’univers en expansion,” Annales de la Société Scientifique de Bruxelles A53 (1933): 51–85。英译版为“The Expanding Universe,” General Relativity and Gravitation 29, no. 55 (1997): 641–80。

[9] Roger Penrose, “Gravitational Collapse: The Role of General Relativity,” La Rivista Del Nuovo Cimento 1 (1969): 252–76.

[10] Roger Penrose, “Gravitational Collapse and Space-time Singularities,” Physical Review Letters 14, no. 3 (1965): 57–59.

[11] 第48页的爱因斯坦方程式包含一个量：8π G / c 4 ，它乘在了方程右边物质的质量和能量部分上。这个量的数值非常小，这意味着我们需要巨大的质量或能量才能稍微弯曲一点点方程左边的时空场。为了让你有个概念，我要指出，整个地球的质量使其邻域内空间形状弯曲的相对程度，相比于正常的欧氏空间来说，大约只有10 –9 。

[12] 爱因斯坦1917年3月12日致威廉·德西特的信，见 Collected Papers ,vol. 8, eds. Albert Einstein, Martin J. Klein, and John J. Stachel (Princeton University Press, 1998): Doc. 311。

[13] 如果想要更详细地了解宇宙膨胀的发现历史，我推荐阅读哈里·努斯鲍默和莉迪娅·比厄里的 Discovering the Expanding Universe (Cambridge:Cambridge University Press, 2009)。

[14] 我强烈推荐这本乔治·勒梅特传记： The Atom of the Universe, by Dominique Lambert (Kraków: Copernicus Center Press, 2015)。

[15] 乔治·勒梅特于1960年在罗马圆桌会议上发表的演讲“L’Etrangeté de l’Univers”，收录于 Pontificiae Academiae Scientiarum Scripta Varia 36(1972): 239。

[16] Vesto M. Slipher, “Nebulae,” Proceedings of the American Philosophical Society 56 (1917): 403–9.

[17] 他的论文是用法语写成的，发表在不太知名的 Annales de la Société Scientifique de Bruxelles (Série A. 47 [1927]: 49–59)上。其标题《一个质量恒定、半径增大的均匀宇宙，及其对河外星云径向速度的解释》已经明确表明了勒梅特的意图。事实上，在编辑手稿的最后阶段，勒梅特对标题稍微进行了修改，将“变化”改为“增大”，这可能是为了强化他的模型与天文观测结果之间的联系。天文观测结果表示，星系正在远离我们。

[18] Lambert, Atom of the Universe.

[19] 2018年，国际天文学联合会通过了一项决议，将这个关系称为“哈勃–勒梅特定律”。
哈勃基于对24个星系观测的改进，得出了63页的速度–距离关系中比例常数的值：每隔300万光年的距离，星系远离我们的速度约增加513千米/秒，与勒梅特早期发现的数值并没有太大的不同。哈勃和赫马森根据通常的多普勒效应解释了他们的观测结果。

[20] Arthur Stanley Eddington, The Expanding Universe (Cambridge: Cambridge University Press, 1933), 24.

[21] Georges Lemaître, Evolution of the expanding universe, Proceedings of the National Academy of Sciences , 20, 12–17.

[22] λ 的英文拼法为lambda，其前四个字母lamb有羊羔之意。——译者注

[23] Georges Lemaître, Discussion sur l’évolution de l’univers , (Paris: Gauthier Villars, 1933), p 15–22.

[24] Arthur S. Eddington, “The End of the World: from the Standpoint of Math ematical Physics,” Nature 127, no. 2130 (March 21, 1931): 447–53.

[25] Lemaître, Revue des Questions scientifiques .

[26] Georges Lemaître, “The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory,” Nature 127, no. 2130 (May 9, 1931): 706.

[27] P. A. M. 狄拉克在1939年2月6日发表了演讲《关于数学和物理学之间的关系》，作为他获得詹姆斯·斯科特奖的获奖感言。这篇演讲发表于 Proceedings of the Royal Society of Edinburgh 59 (1938–39, Part II): 122–29。

[28] Fred Hoyle, “The Universe: Past and Present Reflections,” Annual Review of Astronomy and Astrophysics 20 (1982): 1–36.

[29] Fred Hoyle, The Origin of the Universe and the Origin of Religion (Wakefield,R.I.: Moyer Bell, 1993).

[30] 更多关于伽莫夫多彩人生中的逸事见伽莫夫的自传 My World Line: An Informal Autobiography (New York: Viking Press, 1970)。

[31] Lambert, Atom of the Universe .

[32] 引自Duncan Aikman, “Lemaitre Follows Two Paths to Truth,” The New York Times Magazine, February 19, 1933（见插页彩图5）。

[33] Georges Lemaître, “The Primaeval Atom Hypothesis and the Problem of the Clusters of Galaxies”，收录于 La structure et l’evolution de l’univers: onzieme conseil de physique tenu a l’Universite de Bruxelles du 9 au 13 juin 1958, ed. R.Stoops (Bruxelles: Institut International de Physique Solvay, 1958): 1–30。以赛亚所谓的“隐藏的上帝”概念，是勒梅特思想中持续存在的一个背景主题。例如，在勒梅特1931年发表于《自然》杂志的大爆炸宣言原本的手稿中，在结尾处有一小段——在出版前又被划掉——写道：“我认为，每个人只要信奉最高神明的存在，并认为最高神明是支持每个生命和每个行为的，那他也会相信上帝本质上是隐秘的，并且也乐于见到当今物理学如何提供了一条遮掩造物主的面纱。” C+TFNH1rDhRYO0N1rR3wXBNBG2+YsUscTKKiGw6VoasU7ozLhtlg0osHG0lc/Xu5