宇宙由此开始。我们看到的一切——恒星、行星、星系、人类——都可以溯源至 138 亿年前的某一时刻。这一困惑了哲学家、神学家和科学家数千年的“终极”问题,在我们的有生之年得到了解答。从20世纪60年代发现宇宙微波背景辐射 1 开始,宇宙年龄有限的概念,从一个假说(其可能性比存在一个永恒而无限的宇宙的可能性大不了多少)到如今成了一个不争的事实,经历了差不多半个世纪的时间。宇宙的年龄可以通过诸如普朗克卫星之类的空间观测站的高精度数据得到精确测量。但是对这样一个科学胜利的描述经常忽略了一个更重要的事实——探索的历程还有另外一段故事,正是它的存在使得这一关于起源问题的发现更为令人信服。
目前我们在科学上最重要的认识是,我们关于极微小世界的理论——量子力学,与我们关于极大尺度世界的理论——宇宙学(又称为广义相对论),具有极其惊人的一致性。尽管这两个理论是完全独立地发展起来的,而且至今还没有谁能够成功地将这两个伟大的理论合并成一个所谓的量子引力理论。然而事实是,它们各自给出了同一个问题的“正确”答案,告诉我们整个物理学,甚至整个科学存在一个更为基本的理论。的确如此。
那个基本的问题是什么呢?我们又怎样知道两大理论在这个问题上的答案是一致的?宇宙学家计算的宇宙年龄——138亿年,仅比天体物理学家计算出的位居其中的恒星的年龄略大一点点,它的意义如此重大,真是值得在屋顶上高声呐喊。然而,这却有点想当然了。我觉得需要来作一点更公平的调整。
最近的一些事使得这种一致性之重要意义被忽视的情况更突出了。我是2013年决定写作本书的,那时普朗克卫星获得的数据正出现在新闻头条。许多新闻故事的标题都是这样吹嘘的:“宇宙比我们过去所想的更为古老。”这让宇宙学家啼笑皆非,尽管它确实是对的,新的数据使得宇宙的估算年龄从以前的 137.7亿年增加到了 138.2亿年,但是增加的幅度还不到百分之一的一半(后来又纠正为 138.0亿年)。令人惊讶的是,这些数据竟然能使我们对宇宙年龄的估计达到一个如此高的精度。一代人以前(那时我们已经知道宇宙有一个起点),我们还只能说宇宙的年龄大致在 100亿年至 200亿年之间。这一最新测量的精度还只是那个最重要事实的一半,这个事实的物理学部分,就是本书的重点所在。至于其哲学或宗教的意义,还是留给其他学者去争辩吧。
最年老恒星的年龄显示出它们仅仅比宇宙的年龄略小一些。如果这还不能让你留下深刻的印象,那么想象一下如果发生了另一种情况——测量到恒星的年龄比宇宙的年龄还大,科学家们会有怎样的感受!这将意味着他们所钟爱的两个重要理论——量子物理学和广义相对论——至少有一个是错的。
事实上,我们甚至都没有必要去想象,如果测量得到恒星的年龄大于宇宙的年龄,科学家们会有怎样的感受,因为那个情况在第二次世界大战结束之时,正好也就是我这一生开始的时候就已经出现了,我自己不仅是这个宇宙年龄测量团队的一员,也认识这个故事中的许多人物。当我还是一个孩子时,天文学家的确发现他们对恒星年龄的估计大于对宇宙年龄的估计。这也正是“稳恒态”宇宙模型的支柱之一,这一理论认为宇宙在时间和空间上是无限的,宇宙本质上是不变的。我将解释我们可以从 20世纪 40年代的理论与现代公论之明显冲突中得到什么,包括普朗克卫星观测结果的意义,也将使得这个公论的重要性变得更为清晰。但是我还是需要先回顾一些宇宙学和天体物理学的“前期历史”,回到19世纪导致理解恒星和宇宙之本质的发现,为讲述这个最重要的事实做好准备。
约翰·格里宾
2015年6月1日