物理世界奇遇记-5

这是一次盛大的演出聚会。当汤普金斯先生找到自己的座位，同教授和慕德坐在一起时，会场几乎已经坐满了人。　　“你最好还是先看看节目单，”慕德向他建议说，“快一点，他们就要关灯了。要是你不看节目单，你就不知道那些角色是谁了。哦，单子上的稳恒态就是定态，因为过去是这样叫它的。”　　他很快把他在大门口拿到的那张复印的单子扫了一遍。他刚刚看完歌剧背景的说明，会场便陷入了一片黑暗。一支由六件乐器组成的管弦乐队，挤在高起的舞台边上小小的空间里，开始奏响了序曲。伴随着占有观众绝大多数的学生们发出的热烈而刺耳的鼓掌声，临时用来遮住舞台的帷幕突然拉开了。每一个人都不得不立即遮住自己的眼睛——台上的照明实在太耀眼了，其强度足以使整个会场变成一片灿烂亮光的海洋。　　“那个技师真是个白痴，他会把屋里一切东西都烧化的！”教授带着怒意小声地嘟浓说。但是事情并非如此。“大爆炸”的亮光逐渐变暗了，最后留下了一片黑暗，由一批迅速旋转的轮转烟火进行照明。可以想到，它们是用来代表大爆炸后某个时期形成的星系的。　　“现在他们又要把那个地方烧光啦，”教授怒气冲冲他说，“我真不应该允许他们干这种荒唐事！”　　慕德靠过去拍拍他的手，指引他注意到那个“白痴技师”事实上一直站在舞台的角落里，小心翼翼地拿着灭火器，准备在必要时立即使用。这时，学生们就像小小孩在参加焰火晚会时那样，一直在呜呜呀呀地叫着。然后，舞台上走出了一个穿着黑色法衣、带着牧师硬领的人，他用嘘声让大家安静下来。按照节目单的说明，他是来自比利时的勒梅特（注：勒梅特本人当过神父，而且他提出的大爆炸理论必然引出最初的“宇宙蛋”是谁创造的问题，一度被认为是公然邀请上帝、支持有神论。因此，作者在歌剧中让他扮演神父的角色），膨胀宇宙的大爆炸理论就是他最先提出的。他用浓重的喉音开始唱他的抒情曲。　　　　　　图片：五线谱原文版宇宙大爆炸抒情曲（点击放大）　　译注：伽莫夫在这一部“宇宙之歌”中借用了几段世界名曲，配以宇宙大爆炸的歌词，颇具特色。这里，由李元把原五线谱译为简谱以便普及。第一首抒情曲是借用著名圣诞歌曲《齐来崇拜歌》的曲谱；第二首为俄罗斯民歌。前两首在我国比较流行，颇易吟唱。第三首选自歌剧咏叹调。　　　　图片：简谱中文版宇宙大爆炸抒情曲（点击放大）　　歌词：　　　　万物之本的宇宙蛋，无所不包的宇宙蛋，把你分裂成无数极小的碎片。形成中的星系，把你能量分摊。放射性的宇宙蛋，无所不包的宇宙蛋，构成宇宙的始源，是上帝的奇妙手段。　　漫长的宇宙演化，看火球般的宇宙蛋，化成无数灰烬和暗燃的碎弹。我们在宇宙中心，看那星星飞散。我们尽力想办法，回顾那原始灿烂，构成宇宙的始源，是上帝的奇妙手段。　　在勒梅特神父结束他的抒情曲以后，出现了一个又瘦又高的年轻人。他（按照剧情的说明，是物理学家伽莫夫（就是本书作者）），他生于俄国，但移居美国已有30年之久。他唱的是：　　　　图片：宇宙大爆炸第二抒情曲（点击放大）　　歌词：　　勒梅特，在许多方面，我们见解全一致。宇宙正在膨胀扩大，从它诞生就开始。　　你说宇宙在运动中成长，我早就应该同意。但是它从何物形成，我们看法有分歧。　　你说它从宇宙蛋来，我认为是中子流体。它过去已存在长久，将无限存在下去。　　在无边无际的空间，几十亿年的过去，到达最密态的气体，坍缩中迎来结局。　　在时间的转折点上，空间变得更华丽，光在数量上超过物质，物质同光无法比。　　那时每一吨光辐射，一克物质随相依，直到巨大原始熔炉，膨胀中四面散离。　　光缓慢地暗淡消失，亿年时间又逝去，物质得到充足来源，坐上了首把交椅。　　于是物质冷却凝聚，（这是琼斯假说推理。）巨大气云逐渐分离，形成个个原星系。　　原星系又分裂四散，漫漫夜空互分离。恒星形成而后分散，空间被亮光包围。　　恒星烧至最后火花，星系永旋转不已。宇宙密度日益降低，光热生命都完毕。　　然后就轮到霍依耳了。他突然出现在明亮发光的各个星系之间的空间中，从口袋里掏出一个轮转烟火。当它开始旋转时，他得意洋洋地拿着这个新诞生的星系，同时大声唱道：　　　　图片：宇宙永存咏叹调（点击放大）　　歌词：　　我们的宇宙按照上天的意旨，并不在过去某时形成，过去将来都永远存在。因为邦迪、戈尔德和我都这样宣称。啊，宇宙，永不变的宇宙！要把稳恒态宇宙公开宣扬！　　那年老的星系可以烧毁瓦解，退出宇宙大舞台的合唱。宇宙啊你作为一个整体，过去将来都将存在如常。啊，宇宙，永不变的宇宙！要把稳恒态宇宙公开宣扬！　　新的星系将不断从无生成，过去怎么办，将来还怎么办。过去将来都永远相同，勒梅特和伽莫夫何必为此忧伤。啊，宇宙，永不变的宇宙！要把稳恒态宇宙公开宣扬！　　啊，宇宙，永不变的宇宙！要把稳恒态宇宙公开宣扬！　　在霍依耳这个角色演唱时，人们不能不注意到，尽管他这首赞美宇宙不变性的诗歌挺令人振奋，但空间中那些小小的“星系”现在大多都已经熄灭了。　　这时歌剧演到最后一幕，整个演出班子都集合在一起，唱起最后一首很活泼的合唱：　　　　“你那辛苦工作的岁月，”　　　　赖尔对霍依耳坦率地说，　　　　“全是浪费光阴没出息，　　　　你那所谓稳恒态理论，　　　　今天已经销售不出去，　　　　除非我的眼睛把我欺。”　　　　“我那巨大的望远镜，　　　　已使你的希望破灭，　　　　你的信念毫无根据。　　　　我直想坦率告诉你：　　　　我们这个宇宙正在　　　　天天增大，日日变稀。”　　　　霍依耳说：“你只不过是　　　　把勒梅特和伽莫夫的旧话重提。　　　　可你应该把他们忘个彻底！　　　　那捉摸不定的宇宙蛋，　　　　连同它那所谓大爆炸，　　　　又怎能对他们有禅益？！”　　　　“你应该明白，我的朋友，　　　　宇宙从来无所谓起始，　　　　它也永远不会有结局，　　　　因为邦迪，戈尔德，还有我，　　　　直到我们头发掉精光，　　　　对这一点都深信不疑。”　　　　“这是胡言乱语！”赖尔喊道，　　　　他满腔怒火往上升，　　　　极度使劲地加强语气，　　　　“正如我们所已经看到，　　　　那些极其遥远的星系，　　　　彼此靠近，分布比较密。”　　　　“你这样说话真叫人生气！”　　　　霍依耳同样来个大发作，　　　　又一次把他的说法重提，　　　　“每一个白天，每一个夜晚，　　　　总是在产生着新的物质，　　　　使宇宙的景观永远如一。”　　　　“别胡诌了，霍依耳先生，　　　　既然我已经把你挫败，　　　　你再坚持就没有道理。”　　　　赖尔用坚信的口气说，　　　　“用不了多长的时间，　　　　我就要叫你醒个彻底！”　　演出结束时，从观众席发出雷鸣般的鼓掌声和跺脚声，然后观众们又站起来为这个迷人之夜竞争的双方喝彩。过了一段时间，那临时借用的帷幕终于完全关闭，不管人们怎么呼叫也不再拉开。于是，观众渐渐散去，年轻人大多走向学生联谊会开办的酒吧。　　“明天你有什么特别安排吗，慕德？”汤普金斯先生在准备离开时问道。　　“实在没有什么安排，”她答道，“要是你愿意，你可以到我那里去喝杯咖啡。上午11点，好吗？”　　　　　　７　黑洞、热寂和喷灯　　“我看，一定就是这里啦！”汤普金斯先生一边查看慕德给他的那张匆匆画就的地图，一边自言自语地咕哝着。大门上没有任何标记可以证明这里确实是诺尔顿庄园。他可以看到在车道的尽头有一座非常大的。爬满了绿藤的庄园住宅。这同他原来想象的并不一样，不过，他认为最好还是前去问一问。就在这个时候，他认出了慕德，她正蹲在花坛边清除杂草呢。他们很亲切地互相问好。　　“你在这里购置的房地产实在太大了，”他羡慕地说，“我没想到画家的收入有这么多。你不认为阁楼上会太冷，不利于你从事美术创作吗？”　　最初，她似乎显得有些莫名其妙，然后突然爆发出一阵响亮的笑声。“这一切都属于我吗？”她大声说道，“我倒希望是这样。但是不，它已经四分五裂了——从诺尔顿家族离开这里以后就一直是这样。它现在分隔成了好几个单元。这是我得到的那一小部分。”她指着不久以前才扩建的一座小屋。“请进去吧，随便一点，就像在家里那样。”　　在他们等待壶中水烧开的时候，她带他迅速地浏览一遍她那小小的、布置得很舒适的房子，然后在起居室的沙发上坐下，品尝起咖啡和饼干来。　　“那么，你觉得昨天晚上那台歌剧怎么样？”她问道。　　“啊，它大有趣了，”他说，“当然，我还没能理解它的全部涵义。不过，我很喜欢它。谢谢你建议我去看它。只有一件事……”　　“什么事？”　　“没什么大事。只是回到家里以后，我不由自主地为定态理论所碰到的遭遇感到惊讶。它似乎是一种通情达理的理论呀。”　　“可别让我爸听到你说这种话。”她微笑着说，“不知道花了多少时间才说服他让那台歌剧上演呢。他不愿意学生们被弄糊涂的。关于科学必须建立在实验上——而不是建立在美学上，他自己编了一大套歌舞。不管一种理论怎样吸引你，只要实验结果同它相对立，你就必须把它甩掉。”　　“反对定态理论的证据真的像你前几天所说的那么有力吗？”他问道。　　“是的，”她答道，“所有证据都以压倒优势支持大爆炸理论：首先，我们知道，宇宙已经随着时间的推移而改变了——我们可以看出，它是已经改变了。”　　汤普金斯先生皱着眉头问：“我们看到了吗？”　　“是的。你应该记住，光的速度是有限的；光从遥远的天体传到我们这里是要花一些时间的。当你在考察空间遥远的深处时，你也就是在考察时间遥远的过去。举例来说，”她望着窗外说；“太阳发出的光要花８分钟才能到达我们这里，这就是说，我们现在看到的太阳光是它在８分钟以前的模样——而不是此时此刻的模样。对于像仙女座中的星系那些更为遥远的天体，情况也是这样。你一定看见过那个星系的照片，你可以在各种天文学书籍中找到它们。那个星系离开我们大约有１００万光年，所以，那些照片所表现的是它在１００万年前的模样。”　　　“你想说明什么问题呢？”　　“我想说明的问题是，”她接着说，“马丁·赖尔发现，他越深入地探索空间的深处，换句话说，他越深入地回顾时间的过去，在给定的体积内存在的星系数量就越多。如果宇宙确实随着时间而逐渐变得稀松的话，那么，这正好是我们应该预料到的结果——宇宙在过去要比现在更密实一些。”　　“在昨天的歌剧快结束时，他们提到过这一点，对吗？”汤普金斯先生问道。　　“对极了。不仅如此，我们现在还知道，就连星系自身的性质也随着时间而改变了。有一个时期，也就是星系在大爆炸后刚刚形成不久，它们燃烧发出的光要比今天亮得多；当它们处在这种状态中时，我们便管它们叫做类星体。类星体只出现在很遥远的地方，这就意味着，它们只存在于非常遥远的过去，目前并不存在——这又一次违背了宇宙不变的想法。　　“得，我开始被你说服了。”他承认了。　　“不过，我还没有说完呢，”她坚持要说下去，“就拿原初原子核丰度来说吧……”　　“那是什么？”　　“是来自大爆炸的各种不同粒子的比例。你知道，在大爆炸的早期阶段，所有的东西都是非常热的，每一种东西都随意快速地运动，彼此迎头撞击。在那个阶段，宇宙中存在的一切都是亚原子核粒子（中子和质子）、电子和其他基本粒子。你找不到任何重原子的原子核。不久，由于中子和质子聚合在一起，形成了第一个原子核，但是，在紧接着的一系列碰撞中，它又被击开而破坏掉了。后来，随着宇宙的膨胀和冷却。碰撞变得不像过去那样频繁，也不那么猛烈，只有到这个时候，新形成的原子核才能一直存在下去。于是，我们就有了这种原初核合成——这是物理学家们给它起的名称。　　“但是，原子核吸收越来越多的中子和质子，从而组成越来越大的原子核这种过程，是不可能永无止境地进行下去的。”她继续说，“这是一种同时间赛跑的过程。随着时间的推移，温度一直在降低。这就意味着，温度终于会降到非常低的程度，以致核粒子所具有的能量已经小到不再能使它们发生聚变。不仅如此，由于宇宙不断膨胀，密度同样也在不断减小，因而碰撞的次数也变得越来越少。以上几种原因结合起来所产生的结果，就是到达了不再发生那种核反应的一点，这时重原子核的混合物也就不再发生变化了。这种混合物称为冻结混合物。当然，正是这种原子核的混合物决定了最后可以形成的各种不同原子的比例。　　“现在就出现了一件很有意义的事，”她总结说，“如果你知道今天宇宙中的物质密度有多大，你就可以计算出过去任何一个阶段物质密度应该具有的值，具体他说，可以算出原初核合成时期应有的密度值。而这又意味着，你可以从理论上推算出冻结混合物应该是什么样的。推算的结果表明，在冻结混合物中有77％的质量以氢（最轻的元素）的形态存在，23％是氦（次轻的元素），只有极其微量较重的原子核。而这正好是今天在检验星际气体的原子丰度时所观察到的情形。”　　“好的，你赢了！”汤普金斯先生认可了她的说法，“大爆炸理论胜利了！”　　“但是，我还没有把最最有说服力的证据告诉你呢。”慕德补充说，这时她变得越来越兴奋。　　“你说话开始变得很像你父亲啦。”　　她不理睬他的评论，继续往下说，“那就是宇宙微波背景辐射。你知道，既然大爆炸的温度极高，那就必然有一个火球伴随着它，就像原子弹爆炸时发出眩目的闪光那样。现在的问题是：大爆炸发出的辐射如今到哪里去了？它必定还处在宇宙中的某个地方，因为再也没有任何别的地方可以容纳它。当然，它必定不再是那种眩目的光，现在它必定已经冷却下来了。到目前这个阶段，它的波长应该处在微波区域内。事实上，伽莫夫（你还记得他出现在昨天晚上的歌剧中吗？）曾经很好地计算出、它的波谱应该对应于７Ｋ区域附近的某个温度。他是对的，目前已经发现了那个火球的残骸：１９６５年，两位通信科学家彭齐亚斯和威尔孙纯粹出于偶然，发现了那种辐射遗留下来的东西，它的温度是２．７３Ｋ，这当然非常接近于伽莫夫早先计算出的数值。”　　汤普金斯先生什么话也没有说，他陷入了沉思。慕德好奇地看着他。　　“怎么啦？”她问道，“信服了吗？”　　汤普金斯先生摆脱了冥思苦想，“是的，是的，太好了，那确实是太好了。谢谢你！不过……”　　“不过什么？”　　“好吧，我说，我刚刚在头脑中画了这样一张图画，里面有氢，有氦，有电子，还有大爆炸产生的辐射，除此以外，就什么也没有了。那么，我们今天这个世界是怎么来的呢？太阳和地球又是从哪里来的？你和我又是怎么回事——我们总不会是只由氢和氦构成的吧？”　　“你这问的可是１２０亿年的历史啊！你给我多少时间来回答呢？”　　“３分钟够了吧？”汤普金斯先生满怀希望地问道。　　她笑了。“那就让我试试吧！你准备好了吗？”　　“等一等，”他看着手表说，“好了，你说吧！”　　“听着，在大爆炸后的几分钟内，我们只有氢和氦的原子核以及电子。再过３０万年，一切都冷却下来，温度降到足够低，这时电子便能够围绕着原子核，于是，我们便有了第一个原子。现在，整个空间中充满了一种气体。这种气体的密度是非常均匀的。但是，也还存在某些极为微小的不均匀性——有些地方的密度比平均密度稍稍大一些，有些地方则稍稍小一些。这样一来，由于密度较大的地点具有较大的万有引力，气体就开始围绕着它们积集起来。它们收集的气体越多，它们的引力就越强，因而就能更有力地从四周吸来更多的气体，结果就形成了一些彼此分开的气体云。这时在每一个气体云内部都会形成一些小小的旋涡，这些旋涡互相挤压，从而使温度上升（这是日常生活中常见的事：当你把某种气体挤压成较小的体积时，它的温度就会升高）。最后，温度变得非常高，从而引发了核聚变过程——恒星就这样诞生了。结果，大约又过了１０亿年，便出现了各个星系（实际上，星系有可能是通过两种方式形成的：一种是先形成星系云，然后由它分裂成许许多多恒星；另一种是先形成恒星，然后恒星聚集在一起形成星系。究竟是哪一种，目前还没有人真正知道）。但是，不管是这种还是那种，恒星毕竟是形成了，并且依靠核聚变过程而获得能量。它们不仅释放出能量，并且还逐渐积累起较重原子的原子核——这些原子正是后来构成地球和我们的身体所必需的材料。然后，恒星上的核火终于把燃料烧光了。对于像太阳这样的中等大小的恒星来说，这个过程大约要花１００亿年的时间。这种处于老年期的恒星会发生膨胀，变成所谓的红巨星，然后再收缩而变成白矮星，最后慢慢凝固成很冷的岩石。质量更大的恒星会以一种特殊得多的方式结束它们的生命——随着‘轰’的一声，它就全部完蛋了。这就是超新星爆发。正是这种爆发喷出了某些新合成的核物质，即重的原子核。它们现在同星际气体混合在一起，并且能够聚集起来而形成第二代的恒星以及第一次出现的像地球这样的多岩石行星（在产生第一代恒星时，当然不会有行星存在）。然后，这类行星之一——地球——通过自然选择进行演化，终于把它表面上的化学物质转化成你和我。我们就是这样由星际尘埃构成的！”　　慕德突然停了下来。“好啦，我说完了！刚才花了多少时间？”　　汤普金斯先生笑嘻嘻他说：“不多，只花了两分钟……”　　“好极了！”慕德宣告说，“这就是说，我还有一分钟的时间可以谈谈黑洞。”　　“黑洞？”　　“是的，黑洞。这是那些最重的恒星爆炸后留下的东西。我刚才说过，这种恒星会喷射出某些物质，但是，剩下的物质却会坍缩而形成黑洞。”　　“黑洞究竟是什么东西呢？”汤普金斯先生问道，“当然，我听说过这个名词……”　　“黑洞就是当万有引力强大到任何物体都不能逃脱它的吸引时，你所看到的东西。那时，恒星的全部物质都坍缩成一点。”　　“一点！”汤普金斯先生叫了起来。“你真的是这个意思吗——一个真正的点？”　　“完全正确，它没有体积。”这是她的回答，“这个点集中了所有的物质，它的周边地区是一个强大得不可思议的万有引力场。这个引力场是如此强大，不管是什么东西，只要进入它的作用范围（即所谓事件视界）内，就再也无法从里面逃逸出来——就连光线也是这样。这就是为什么说它是黑洞的原因。任何一种进入事件视界内的物体，都会立即被吸到中心那一点上去。”　　“太奇怪了！”汤普金斯先生喃喃他说，“可是，黑洞后面那一边有什么东西呢？”　　“后面那一边？谁知道呢？‘那一边’肯定什么也没有。落入黑洞的东西全部都停留在它的中心。哦，对了，有人提出一些臆测，认为这些东西可能通过连接我们的宇宙和某个别的宇宙的某种隧道流走，然后在那个宇宙中以‘白洞’的形态喷发出去。不过，这全都是纯粹的臆测。”　　“你能肯定确实有黑洞存在吗？”　　“是的。证据是非常有说服力的。不但有从坍缩了的老年恒星形成的黑洞，而且在星系的中心同样也有黑洞——那是可能已经吞没了数百万颗恒星的。质量极大的黑洞。”　　汤普金斯先生带着敬佩的神情笑望着慕德。　　“你干吗这样望着我？”她好奇地问。　　“没什么。我只不过是觉得奇怪，你在地球上怎么会懂得这一切的？”　　她谦虚地耸耸肩膀。“不用问，大部分是从那里学到的，我想。”她朝着一个摆满了科普杂志的书架点点头。　　“还有最后一个问题，爱因斯坦小姐，”他问道，“这一切将怎样结束呢？将来宇宙会发生什么事？你的父亲说过，宇宙会不断膨胀下去，但是它的膨胀速度会逐渐减慢，到了遥远的未来将会停止膨胀。”　　“他说得对——如果暴胀理论是正确的，而且宇宙中的物质密度具有临界值的话。到那个时候，所有的核燃料全部已经用完，恒星全都死亡，许多恒星会被吸入它们那个星系中心的黑洞，宇宙将变得冰冷冰冷，完全没有生命存在。科学家们把这种状态叫做宇宙的热寂。”　·····　　汤普金斯先生觉得毛骨悚然。“我敢肯定，我不喜欢听到这样的事。”　　“对不起，我不知道你会害怕。我真不该让它使你感到不安。”她很快活地作出了反应，“在发生那种事以前，我们早就已经葬身黄土了。不管怎样，我们不再谈它了。让我们换个话题吧！”　　“好的，我很抱歉，你觉得我这个人怎么样？”　　“挺好的，你已经很尽力了，”她安慰他说，“下星期我大概不能帮你的忙啦。”　　“下星期？下星期有什么事吗？”　　“我爸说过，他下一次演讲要介绍量子理论。对吗？”　　“是的，我还记得。”　　“可是，我从来就没有吃透过量子理论。所以，我只能对你说：祝你好运！不过，现在该谈谈我的美术作品了。你真的想看看它们吗？”　　“你的作品？我当然想看啦。”他答道，“你把它们藏在哪里？你的工作室离这里很远吗？”　　“很远？不，穿过前面的庭院就是它。我把这里一间废弃的旧仓库派上了用场。这正是我一下子就选上诺尔顿庄园的原因。我想要的不是房子，而是那间仓库。”　　慕德的工作室非常有趣，汤普金斯先生从来没有见过像它那样的东西。她的创作（你可不能把它们叫做油画）非常特别。虽然它们也装在镜框里准备挂在墙上，但它们却是用各种各样的材料制成的。其中有木头，塑料，金属管，石片，鹅卵石，洋铁罐，等等。这些不同的品种被她精心粘贴在一起，构成一幅幅优美动人的美术拼贴。