宇宙的寂寞心灵

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原文作者: Dennis Overbye
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具体描述

  精彩的人物,动人的文字,带来全然的阅读感动与深邃想像!

  爱因斯坦、哈伯、惠勒、桑德志、霍金等人,全世界最顶尖的一群科学家,在黑暗的宇宙舞台绽放出灿烂的智慧火花。

  他们站立在渺小的地球上,亦身为渺小的人类,
  竟胆敢思索浩瀚宇宙的起源、演化历程与未来的命运。
  这是他们的爱与憎,狂喜与伤悲,他们的疯狂奇想与研究勇气,
  同时也是他们最精彩奔放的生命故事。

  我们所居住的宇宙究竟有多大?有多老?它未来的命运又是如何?

  二十世纪后半期,研究这些问题的「宇宙学」臻于颠峰,百花齐放,热闹非凡,爱因斯坦、哈伯、桑德志、霍耶、皮伯斯、沙多维契、霍金、惠勒、潘洛斯、施赖姆、谷史等众家英雄好汉,带着各自的独门功夫相继登场,包括广义相对论、哈伯常数、大霹雳、黑洞、奇异点、暴胀理论等等,且看他们如何从籍籍无名的小子,逐渐蜕变成万人景仰的科学大师!他们等于是科学时代的宣教士,创造神话的人,也是驰骋宇宙的太空骑士。他们有人严肃、有人热情,或率性,或害羞,或富于隐喻想像,乃至粗鲁草莽,大言不惭,但都无损对宇宙的狂热与专注。

  作者奥弗拜也承继这些好汉的拚命三郎精神,长年近身观察这群最顶尖的宇宙研究者,与他们一同追南逐北,上天下地,分享挫折也一同兴奋,成就了这些动人的篇章,让读者时而开怀大笑,时而沉思默想,时而又感动得难以自己,同时在这一波波奋斗与探问当中,看到近一个世纪以来,最绵密完整的宇宙学研究面貌。

作者简介

奥弗拜(Dennis Overbye)

  曾于麻省理工学院修读物理学。目前为《纽约时报》科学版副主编,文章经常发表于《纽约时报杂志》、《时代》杂志,亦为知名科普杂志《发现》与天文杂志《天空与望远镜》的撰稿者与编者。《宇宙的寂寞心灵》曾获美国物理协会(American Institute of Physics)一九九二年科学写作奖,也获得同年「美国国家书评奖」非文学类和《洛杉矶时报》年度书奖科学类的提名。近期新着有《恋爱中的爱因斯坦》(Einstein in Love)。

译者简介

蔡承志

  专业译者,参与Discovery频道字幕翻译,译作包括《数字的异想世界》、《我们都是机器人》、《鸟类的祕密生活》、《恐龙与史前生物百科全书》、《始祖鸟、羽毛与鸟类进化之谜》、《蚂蚁.蚂蚁》、《约翰.惠勒自传》等。

著者信息

图书目录

导读一 争睹宇宙奥祕的天才群像∕傅学海
导读二 他们正在创造历史!∕吴俊辉
作者序 不朽真理的代言人

第一部 舱中人
第一章 来自苍穹的声音
第二章 巨型糖果贩卖机
第三章 宇宙模型之争
第四章 宇宙边缘的营火
第五章 霍金和黑洞
第六章 黑洞之王
第七章 误打误撞大霹雳
第八章 创造星系的人

第二部 费米乐园
第九章 展开宇宙长征
第十章 永恆的轮回
第十一章 费米乐园
第十二章 美丽获得胜利
第十三章 不想研究宇宙的宇宙学家
第十四章 终极的白吃午餐

第三部 宇宙幽微之处
第十五章 哈伯常数大战
第十六章 Z计画
第十七章 微中子的春天
第十八章 兹威基的复仇
第十九章 占星家的咒语
第二十章 宇宙如何飞起来?

第四部 最后的绅士
第二十一章 桑德志的放逐岁月
第二十二章 宇宙停止膨胀的那一天
第二十三章 天国

后记 宇宙学的黄金年代
尾声 而今安在否?

图书序言

导读一

他们正在创造历史!

  从小我也喜欢阅读科普的读物,但看完后常觉得书中的世界距离我好遥远,要不就是书中的伟大科学家受到神化,或早已辞世成为历史人物,再不就是其中的内容太深,让人无法理解。但是,这本《宇宙的寂寞心灵》,让现在长大后的我感触很深,因为书里所提到的数十位被誉为「伟大」的宇宙学家之中,有很多位不但都还活着,而且我也几乎全都认识,并和其中几位有很熟的交情。其中最着名的,莫过于英国剑桥大学的霍金(Stephen Hawking)教授(《时间简史》及《胡桃里的宇宙》的作者),我的博士论文,就是在他的「重力暨相对论小组」中完成的!

  探索宇宙的奥义,一直是令人着迷的话题,打从中国的易经开始,宇宙学的发展已经有数千年的历史。最令人兴奋的是,在过去的这数十年间,宇宙学的发展几乎逼近了它的高峰,在观测上不但有惊人的突破,在理论上也有极重要的进展。这本书的原文在一九九一年出版,虽然在其后至今的十多年间,宇宙学又有几项重大的进展,但这些重要进展的伏笔,却都很巧妙地包罗在这本书的内容之中。因此,我看这本书的时候,心中有一种感动,看到一门显学是如何透过一群科学家的努力而得到突破,而其中最令人百感交集的,便是前面所提到的:这群科学家其实都是人,活着的人,而且正默默地在我们的身边,创.造.历.史。

  第三类接触

  一本成功的科普书,首重能够拉近读者和那深奥学问间的距离。这本书所採用的手法,是掺入对当事人的人性描述,借以活化书中的科学家与知识。我相信大家看了以后,应该会同意我的看法。我之所以特别感动,是因为我认识许多书中的人物,而这些对「人」的认识与了解,让我对日后的研究产生了很大的动力,尤其是更深深地体会到「成功不是偶然的」这句话的含意。很多的科普书都将一些伟大的科学家加以神化,忽略了他们身为「人」的本质,这本书正适切地加强了对人性描述的部分,还原了这些科学家的人格特质,不但发人深省,更让人进一步地了解伟大科学家之所以伟大的原因。

  以我个人的体验为例,我自儿时就常梦想能够亲睹霍金教授的丰采,经过一番努力后终于如愿以偿,不但见到了他本人,也正式成为他相对论小组下的门生,这就像是电影中,接触外星人的心情与情节一样。在他门下的那三年间,我的研究室就在他的对面,不但每天见到他,一起吃午餐,他也正式要求我们(研究小组内所有的博士生)每週五和他共进午餐,不是打屁聊天,而是向他轮流报告我们的研究进度。他很严厉,问题都很尖锐,而最令人受不了的,是被他用电脑合成的语音责备,你绝对很难体会那种被电脑语音拷问和责骂的感觉!我一开始总觉得,这个人怎么这样,一点都没有所谓偶像那种可人的气质与亲和力,但日子久了,我才慢慢体会到,原来就是他这种追根究柢不马虎的精神与毅力,让他不但成为科学界不可一世的偶像,也成为目前世上存活最久的肌肉萎缩症患者。在他门下的那段日子里,我们常常搞不懂他的问题和想法,而他也常常因此而生气,我想这正是菜鸟科学家和伟大科学家之间的差别,也正是伟大科学家之所以经常沦为「寂寞心灵」的原因,他们真的是难遇知己啊。

  但话说回来,私底下的霍金教授也有和一般人无异的可爱面,以及独特的个性。例如,当我们要求和他拍照时,他一定会问他的护士,检查仪容是否够帅气。由于平日他进食不但需要护士们餵食,还需要戴上如幼儿使用的围兜,以免自嘴中掉落的食物弄脏了衣服;他在阅读时也要助理帮他戴上老花眼镜,并在轮椅前架上书架子,请人帮他翻书。这些都是他「不准」出现在相片中的东西。平常他也不喜欢别人推他的电动轮椅,坚持要自己操控。因此,如果你发现他办公室附近的走道上堵满了人,就表示前面一定是霍金教授,正因他坚持要自己操控轮椅,因而通不过走道上的某些障碍。由于大家都知道他的脾气,所以也就习惯了,不会有人抱怨,只是新来的菜鸟看到走道堵满人时,常会搞不清楚发生了什么事。

  再举另外一个例子,美国加州大学柏克莱分校的司慕特(George Smoot)教授。他曾是开启现代宇宙学大门的宇宙背景探测卫星(Cosmic Background Explorer, COBE)观测计画之主要领导人,我在剑桥念博士的时候,就常被他的大名轰得震耳欲聋。他是个着名的实验观测宇宙学家,当时我对他的了解,主要是透过媒体上的专访与报导,以及拜读他的学术论文和科普文章。然而很幸运地,我从剑桥拿到博士,到柏克莱从事博士后研究时,因参与一项宇宙微波背景辐射的观测计画和他结识,尔后也受到他的提拔成为美国航太总署(NASA)的长期太空科学家。就如同认识霍金的经验一般,刚开始的几个月间,他在我心中的偶像形象马上幻灭,转化成一种对「人」的了解。当时我常觉得,为什么这个人老是背着一个小背包,只出一张嘴,就能在计画中扮演重要的角色呢?而我们年轻一辈的科学家却要花很多的时间执行实际上的理论推导和电脑计算,才能在计画中占一席之地啊。经过两年多之后,我终于明白,如果没有他的那张嘴,观测计画的筹备工作以及之后的数据分析工作,可能要花上更长的时间才能够达成。这就好比一个顶尖棒球队的教练或球队顾问,根本不需要亲自下场挥棒或投球,却是要扮演球队成败的关键角色。我现在每週都因一项国际合作的观测计画,和他一起透过电话越洋开会。从他身上,我看到一个人可爱的一面,也见识到一个优秀科学家的特质。

  此外,像书中提到的剑桥大学涂若克(Neil Turok,早期是普林斯顿大学教授)教授,是我博士学位的主考委员,也常为我指点迷津,但私底下他是个很亲切、很可爱、很迷煳、常常忘东忘西的人;加州大学柏克莱分校的戴维斯(Marc Davis)教授,我在加州大学的三年间,他的办公室就在我隔壁,我们常一起去吃午餐及讨论宇宙学,他虽然在去年暑期间中风,但坚强的毅力让他至今已几乎完全康复,也重回研究岗位主持宇宙深度探索计画(DEEP Survey)的进行;另外还有在很年轻时就提出「宇宙暴胀理论」的谷史(Alan Guth)、提倡黑暗能量(即所谓的第五项元素)理论的斯坦哈特(Paul Steinhardt)、带领费米实验室(Fermi Lab)宇宙学研究团队的柯尔勃(Rocky Kolb)及特纳(Mike Turner)、对超新星的研究突破扮演重要角色的菲利潘柯(Alexei Filippenko)、对宇宙残陷的研究有重要贡献的维兰金(Alex Vilenkin)、自年轻时期起就对宇宙学的多项领域有重要贡献的皮伯斯(Jim Peebles)等,我也常因学术上的需要而和他们多所接触。与这些知名的宇宙学家接触时,我感觉他们和一般的人并没有太大的不同,也就是说,我如果不跟你提起他们的身分,你可能感觉不出他们有什么特别之处,或许只感受到他们之中少数人的怪异脾气。但是,他们都有一股共同的特质,那就是一股深不可测的自信,和对自己想法的坚持。他们在成名的路上,都有各自的挫折,没有人自始至终就是天生的明星。

  学无止境

  宇宙学发展至今,已有多项重大的突破,例如已经确定宇宙的几何是几近(如果不是完全)平坦的、宇宙中的总质能有近七成为暗能量、约两成为暗物质、宇宙的年龄约为一百四十亿年、宇宙的大小可能是有限大等,但即使如此,全球宇宙学领域的科学家,仍然日以继夜地挑战新问题,进行新的观测。例如,二○○三年二月,美国航太总署的威金森微波各异向性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP)观测到宇宙早期的详细面貌,目前也还继续地收集观测资料;二○○九年,欧洲太空总署(ESA)发射一枚新的人造卫星,叫做普朗克卫星(Planck satellite),它将一窥宇宙大霹雳后不久的更详细面貌;美国目前正在执行的史隆数位巡天计画(Sloan Digital Sky Survey, SDSS),也将在未来的十年内,探索宇宙中至少百万个以上的星系;目前我所参与的美国MAXIPOL观测计画,以及台湾的宇宙微波背景辐射阵列望远镜(Array of Microwave Background Anisotropy, AMiBA)观测计画,也都是为了探索宇宙的本质而设计的。

  我们不会因为目前宇宙学领域的既有成就而怠慢了自己的脚步,相反地,我们会因受到目前新成果的激励而加快研究的进度,以便能对这浩瀚的宇宙有更进一步的了解。就如同《宇宙的寂寞心灵》的书名一般,我们宇宙学家挑战新问题时,外人通常不了解我们到底在干什么,即使是物理界的同侪,也不见得能理解我们实际的研究内容及目标,因此在过程中总是令人感到寂寞的。再加上如同书中所举的许多例子,新的宇宙学成果通常需要多年时间的酝酿,就好比一项长期投资需要数年的时间才能收到效果一般,这寂寞的漫长过程,实在是一般人所无法想像。

  我自「出道」至今,已参与多项的宇宙学观测计画,没有一项是在七年内得到重要突破的。反观国内的生态,拨经费的政府机构似乎都缺乏远见,给了一笔钱就希望在数年内看到突破性的成果,或是目前看不到重要的成果就不愿意继续拨经费,这种缺乏远见与专业判断的问题,难免让人忧心。国内负责审理计画、决定拨不拨经费的人,以及他们聘请的所谓「国外先进」,实在都应该读读这本书,以体会宇宙学和其它科学领域的差异。如果真要在国内发展宇宙学、深植宇宙学的基础,就要有长期的决心与支援。但话说回来,这几年国内在基础科学领域所投注的资源,确实比我十多年前出国时要多很多,还是值得肯定的。

  总之,我们很幸运地能够在有生之年见证宇宙学的突破与发展,我也很庆幸自己能在这股洪流中不缺席。希望这本书能让大家一窥宇宙的真实面貌,和它背后那群科学家的寂寞心灵。科学的研究,是永远不会有终点的,所以,让我们一起继续努力吧!

◎吴俊辉(美国航太总署长期太空科学家、
国立台湾大学物理系暨天文物理研究所教授)

导读二

争睹宇宙奥祕的天才群像

  宇宙一直是迷人而难解的,不论是辽阔的空间,还是遥远的时间,都令人难以想像与接受。更不用说,最近几年的各种论说充斥着学术界与报章媒体,让人眼花撩乱,很难聚焦。

  《宇宙的寂寞心灵》一书将二十世纪以来,天文学家对宇宙论的论述、发展、困境与争论,依据时间先后,娓娓道来,让人一探宇宙的奥祕,认识相关的理论、观测证据与人物,以及这些杰出科学家的冲突、思索、兴奋、沮丧等等的历程。作者常用第一人称的亲身经历述说情节,添加了可读性。

  作者奥弗拜是着名的科普作家,目前为《纽约时报》科学版副主编,他也是全球知名科普杂志《发现》与天文杂志《天空与望远镜》的撰稿者与编者,文章广泛散见各杂志。他日前完成《恋爱中的爱因斯坦》(Einstein in Love)一书。《宇宙的寂寞心灵》曾分别获得美国国家书评奖一九九二年非小说类和《洛杉矶时报》年度书奖科学类的提名,也获得美国物理协会(American Institute of Physics)一九九二年科学写作奖。

  本书虽然谈论宇宙学,但是看得出来,作者主要是以「人」为中心,以观测哈伯常数的桑德志为主轴,描述自伟大的天文学家哈伯以来,天文学家与宇宙论学家对于宇宙的观测与探索,以及彼此依存、争论与发展的历程。时间纵深虽不到一百年,但却是宇宙学的黄金年代,也是大霹雳说从纯理论、借着观测证据浮出台面,到成为主流的历程,可以说是二十世纪最重要而精采的科学故事之一。

  桑德志绝对是本书的要角之一,看着他意气风发,被卷进争论漩涡,淡出过着近乎隐居的生活,最后又证明他的观测数据符合决定性的观测结果,一个天文观测学家就这样从年轻的不可一世,到中年的时不我与,确实反映了学术界的起伏动盪,也让我们看到学术人士的坚持、为理念奋战、有所为与有所不为的一面。

  全书纵览

  美国加州帕洛玛山两百英寸望远镜与哈伯,几乎已经成为天文史上的传奇。这座世界上最大、产出众多的望远镜,使得帕洛玛成为二十世纪天文史的「圣山」。而哈伯利用这个望远镜所做的工作,揭示了宇宙正在膨胀之中,打破了过去认为宇宙亘古不变的想法,使得全球报章媒体与一般大众都热烈讨论宇宙膨胀与大霹雳说,也使得宇宙论成为当代显学,迄今不衰。

  本书开头便点出哈伯与桑德志的传承、大霹雳说与稳态说的争论,接下来则叙述了类星体的发现、引发的迷惑与谜团的破解。类星体,使我们所知的宇宙疆域扩张至一百多亿光年之远,趋近宇宙起源之处;叙述类星体的同时也描述了桑德志生涯中第一个重大的挫折,生动描绘出学术界的恩怨情仇。

  黑洞与霍金,这无疑是宇宙研究史上重要的两个传奇。霍金所撰写的《时间简史》一书,不但成为有史以来最畅销的科普书之一,也让他成为全球知名的传奇人物。而书中有两章除了精要介绍黑洞的概念外,也可由此一窥霍金的个性与感情面。随后谈到的宇宙微波背景辐射的发现与氦丰度的问题,前者是大霹雳成为主流的关键,后者则是大霹雳的坚强证据之一。美国贝尔实验室两位年轻人潘佳斯与威尔森,在测试一个喇叭状天线的讯号时,无意中发现了宇宙背景辐射,两人因此获得一九七八年诺贝尔物理奖。

  威尔森曾经访问过台湾,也针对一般民众举办演讲,当年的我特地参加亲睹风采,会场挤满了三百多位听众。演讲中,他扯断一条橡皮筋,缠上数片纸团,用两手拉橡皮筋,展示宇宙膨胀、星系随之伸展的情形,让我印象深刻。演讲后开放听众提问,有一位听众问他成功的祕诀。威尔森回答是辛勤的工作,外加一点机缘。这回答真是令我一辈子难忘,在我们的制式教育中,所受到的教导是努力工作,成功随之而来。威尔森却以亲身的经历与体验,说明成功还需要一点机缘。这两位年轻人力图排除杂讯、找出原因时,辛苦地做了许多工作,意外发现宇宙微波背景辐射而获得诺贝尔奖。同时期的狄克则没有那么幸运,他辛苦地从事理论计算、设计制造仪器、试图侦测,却被两位年轻人先一步侦测到宇宙微波背景辐射而错失诺贝尔奖。

  一旦相信宇宙是由大霹雳形成之后,很本能的会问两个问题,一个是宇宙形成后如何演变?另一个则是宇宙的结局将会如何?书中接下来便探讨宇宙的演变过程,到底是先形成一小块、一小块再聚合成星系、星系团等大尺度结构,还是先形成大尺度结构,再分解成小块小块形成星系?作者生动叙述两派学说的创立者,以及两派之间的争论,可以清楚看出这些杰出人物的个性与风格。

  随后再回到哈伯常数的测定。哈伯常数的精确数值非常重要,关系着宇宙的大小与年龄。但是要精确测出哈伯常数,就需要观测遥远的星系,而距离越远的星系,距离测量的误差就越大,甚至无法得到可靠的数值,这就陷入一个死胡同。为了解决这个困境,桑德志费尽心思找出各种方法,也竭尽所能发挥观测技巧,希望能观测那些可以作为距离指标的各种黯淡天体。至于宇宙的命运,宇宙到底是永远膨胀呢?还是总有一天会逆向收缩至宇宙末日?科学家提出另一种策略,即测量宇宙空间的质能密度,这只需观测局部的空间,不需要像哈伯常数一样深入到数十亿光年以外的宇宙深处。如果密度超过临界值,则宇宙迟早被重力拉回而造成宇宙末日,反之则永远膨胀下去。

  书中再则叙述量子力学、量子色动力学与宇宙论的进展与实验,建立宇宙大霹雳之后数秒内发生的情景,希望将大尺度重力和原子核内的小尺度作用力整合起来。这是宇宙学家与粒子物理学家携手合作与竞争的故事,也是理论与实验相互竞逐的故事。这部分的专有名词或许连物理学家也不容易弄得清楚,可能需要反覆多看几遍与反刍才能抓住大意,不过秉持作者的一贯风格,这几章的人物故事也是相当精采。

  量子理论和广义相对论捉对厮杀难分难解之时,提出「宇宙暴胀理论」的谷史从中杀出一条血路。谷史的中学、大学及其后的研究生涯曲折回绕,充分显示出美国教育制度的极大弹性。对于优秀的杰出年轻学子,必须为他们提供能够充分发展的环境,也须充分尊重他们的兴趣与意愿,这部分确有值得国内教育界参考与反省之处。叙述暴胀理论的同时,作者也安排了一个小插曲,显示出霍金顽强个性传奇的阴暗面,相当有趣,值得一读。

  前面曾经提到测定哈伯常数的重要性,这场争论延续了十多年。桑德志得到哈伯常数约为五十,显示宇宙年龄约为一百五十亿年。然而另一些研究群提出哈伯常数约为一百,显示宇宙年龄不到一百亿年。全世界都等着看,到底哪一个数值才是对的;我在那个纷扰的年代,每次教书提到宇宙论时,虽然我个人比较偏向低的数值,却也无奈总得将两者相提并论。由此看来,测定哈伯常数需要新的方法与技术,书中也叙述一批年轻人另起炉灶,设计灵敏的电子仪器,可以进行广泛的星系红移观测而推算比较精准的哈伯常数。

  此外科学家逐渐发现,宇宙的命运端视物质的密集程度而定,物质多而密,宇宙便会被强大的重力吸引,最后形成一场末日般的「大崩坠」;另一方面,物质少而稀,则宇宙将永远膨胀下去。女性天文学家鲁宾研究星系的旋转现象时,发现她所测出的质量远比光学观测所得的质量多得多,这些无法直接观测到的物质被称为「暗物质」。暗物质的本质引起了重大的争论,许多人都想解决这个疑难。本书叙述两大阵营分别拥护「热暗物质」(微中子)与「冷暗物质」(大质量弱作用粒子)的不同观点,两派引经据典争论不休,不过到目前为止,暗物质究竟为何仍处于探索、揭密的阶段。

  宇宙的起源永远是动人心弦的论题。书后也具体探讨宇宙的创生理论,整合广义相对论与量子力学的「量子宇宙学」已经春芽初萌,即将成为「时尚」。读者也可以在书末看到桑德志的数据历经挑战、奚落终于被确认,作者认为这是传承交棒的时刻,交织着欣慰、感伤,是一种难以言喻的情绪。

  本书最早于一九九一年出版,在这十多年中,宇宙论方面的观测与理论有许多新发展,本书在后记〈黄金年代〉一文中,简短补充一些最新进展。此外,人总是好奇的,对这些杰出人物与天才,人们有更多的好奇。尾声〈尔今安在否?〉对于书中人物给了最新的简介。多数人仍在岗位上,有些人年老辞世,也有些人英年早逝,回顾英豪来时路,不禁赞叹、唏嘘,情绪也是一时难以平息。

  宇宙、物理与科学人

  借用英国大文豪狄更斯在《双城记》中开头的话语:「这是最好的时代,这是最坏的时代;这是智慧的年头,这是愚昧的年头;这是信仰的时期,这是怀疑的时期;这是光明的季节,这是黑暗的季节。」宇宙学的发展也正处于希望与失望交错的时代,如同波涛汹涌,许多新的想法提出,旋即如泡沫般消失,少数概念被保留下来,却又受到修订……。宇宙学正等待黎明的到来,目前似乎看到一丝曙光。

  宇宙学正处于百花齐放、百鸟齐鸣的时代。在这领域的学者都想一统各种作用力,提出符合观测数据的「大一统理论」。「留名青史」的想法也许低估或侮辱了他们,事实上他们最大的乐趣是想找出宇宙创生的奥秘,名声、诺贝尔奖……不过是伴随而来的副产品。也靠着这些执着寻梦、逐梦踏实的一群人,让我们得以一窥天文观测者辛勤观测到的宇宙点滴、理论家脑中不可思议的想像,以及两者结合共创的宇宙图像。

  科学与技术常常互补,本书之中也呈现了这种趋势。观测数百万光年至数千万光年之外的星系影像,寻找其中的造父变星,测量其亮度变化的週期,是获得这些星系的精确距离的重要关键。哈伯常数建立在遥远星系造父变星的亮度变化週期上,但是要观测这些遥远的黯淡光点并不容易。新的电子感光技术、太空望远镜等新的技术一出现,常被这些辛勤工作的杰出人物用来探索宇宙的奥祕。技术促进科学的发展,科学又常让技术更上一层楼。

  由于人类目前的技术所能制作的粒子加速器,能量仍然距离所需的等级差得太远,无法产生理论预测的粒子,因此大霹雳这个理论,给粒子物理学家提供了一个绝佳的舞台,做为验证「标准模型」的最佳工具。在宇宙创生的瞬间,温度、密度都高得让所有作用力都等价齐观,随着宇宙膨胀、温度降低,才逐渐形成目前的宇宙。我们应该可以找到一些宇宙创生时的遗迹,作为检验「大一统理论」的证据。大霹雳理论在宇宙学家与粒子物理学家之间搭起一座桥樑,看起来,这座桥在未来仍会续存好一阵子。

  本书洋溢着人性,字里行间流露出杰出人物的鲜明个性与情操。科学家与你我凡人一样,时而高贵、时而矫情,人性的光明面与阴暗面同时共存。虽然仍有少数例外,也常有不合求去的例子,不过科学界确实已越来越依赖团队合作,不论团队大小,合作伙伴常是荣辱共存。另外值得强调的是,不论是直接或间接,思想传承在学术界仍是重要的因子,如此一来,科学方得以站上前人的足迹而继续前行,但同时也需要一些才华洋溢的天才开创新路。

  早在两千多年前,古希腊学者已经提出对宇宙的看法。西方文艺复兴时期现代科学兴起,至今不到六百年间,我们对宇宙的看法已经数次更替。自从量子论与广义相对论提出以后,出现许多有关宇宙论的科普书籍,但是很少能像《宇宙的寂寞心灵》一样,将「后量子论与广义相对论」时代的宇宙论,呈现比较完整的面貌。这是一本叙述二十世纪科学家发现宇宙的故事。

  宇宙极其浩瀚,时间的延续超乎一般人的想像。就像登高山常有孤寂之感,这些探索宇宙的族群,全球为数再多也属于稀有一族,往往无法与人分享探索宇宙的甘苦,是属于寂寞、孤独的一群。然而这些孤寂的心灵,在他们的圈子里互相争辩、挖苦、研讨,宇宙的图像才一小块、一小块的呈现。目前即使无法一窥宇宙全貌,悲观者甚至认为不可能纵窥宇宙全貌,但是我们确信,这些探索宇宙奥祕的孤寂心灵,仍会持续探索下去。

◎傅学海(国立台湾师范大学地球科学系副教授)

自序

不朽真理的代言人

  一九五四年,美国《财星》杂志刊出文章介绍美国科学现况,针对十位深具潜力的年轻科学家制作专题报导,并刊出他们的照片。其中有一位是天文学家,照片显示他在帕洛玛山(Palomar Mountain)上,倚靠着一座着名的两百英寸(约五公尺)望远镜的基座;他身影清瘦,穿着一件短夹克,咧嘴微笑,两颊有酒涡,前额高耸,一束卷发悬垂。他的眼神晶亮,神情自信而严肃,就像位空战英雄。

  他的名字,叫做亚伦.桑德志(Allan Sandage)。

  桑德志确实有资格自豪。文章刊出时,他只有二十八岁,刚在一年前得到博士学位,他身旁那具两百英寸望远镜则是当时最着名的仪器,全世界只有少数人有资格使用,他是其中一位。他不但拥有使用特权,排到的夜空时段也比其他人更暗,天空更清澈,但责任也最重大。《财星》杂志如此描述:「他正协助定义宇宙的年龄和结构。」

  那幅影像--一位脸上带着酒涡的潇洒年轻人和他的新望远镜--相当引人注目,而那也是个引人注目的时刻:有了这些新工具,还有热情聪明的年轻人,科学即将解开宇宙的谜团了!桑德志成为史上第一个肩负起裁定宇宙命运重责大任的人。

  五年之后,在地球另一端的印度境内,旅居当地的宗教学者史密斯(Huston Smith)和达赖喇嘛有次奇妙的会晤。这位西藏的宗教、政治领袖,在中国入侵他的祖国之后逃到印度。根据藏传佛教的传统说法,达赖是第十四世活佛;他本名丹增嘉措(Tenzin Gyatso, 1935~ ),是位相当好学的人。

  史密斯在多年之后回忆,人们通常觐见活佛都只是行礼如仪,时间短促,双方谈话内容相当简洁,来者讲完要说的客套辞令,便致敬、鞠躬离去。「你来自何方?」达赖也只是为了礼貌而问。但当史密斯向达赖喇嘛表示自己在美国的麻省理工学院教授哲学和宗教时,学养丰富的达赖听毕立刻抛掉客套辞令,让史密斯有点惊讶。「待个几分钟,」达赖喇嘛说,「我想和你谈谈。」

  接着,达赖便要史密斯说明,当时各阵营就宇宙起源所展开激烈论战的状况。那时候,天文学家集结成两个阵营,分别拥护彼此相左的宇宙史观。第一个是所谓的「大霹雳理论」,这项理论主张宇宙大约在一百亿年前经历了一场勐烈的变动,或许会在数十亿年之后,以同样壮观的「大崩坠」终结。这种观点相当神奇,让人联想起西藏佛教徒所称的「劫」(kalpa):世界毁灭,重生轮回。另一个理论则是「稳态说」(steady state),它断言宇宙无穷无尽、永恆不变。达赖聚精会神聆听史密斯的说明,即根据帕洛玛天文台的最新说法,目前较倾向支持大霹雳。达赖喇嘛点头微笑。「当然啰,」他说,「对于这一点,我们也有自己的立场。」

  传统上,宇宙学书籍在论述宇宙的起源时,都会先重述某些古老或原始社会的生动创世神话,部分原因或许是为了要显示,我们已经跨越传说而有了长足的进步。更重要的是,这会让我们想起我们是谁?来自何方?我们为什么会死?等等诸如此类的问题。我成长于一九五○年代的美国;我们这一代可以算是史无前例的世代,我们一直相信,科学应该有办法验证创世神话。当时帕洛玛的天文学家才刚开始探索宇宙,最后他们也会得到定论。我和我的朋友们在成长的过程里,就和达赖喇嘛一样读到各种科学论战,包括大霹雳和稳态理论、弯曲时空、膨胀宇宙的谜团,以及能量和物质之间的相互转换,不过这些争执对我们的生活影响不大,也没有像达赖那么在意。

  一路上,科幻电影伴随我们成长,我们都认定,在我们有生之年,人类终将征服太空,并发现宇宙起源的惊人神奇现象。我在童年看到原子弹、电晶体的发展,还出现了电视机、冷冻食品,甚至连迷幻药也是科技成就下的产物。科学家在当时都成为英雄,而科学则如同出卖灵魂般制造出原子弹,更发现了DNA,于是陶陶然认为时机已经成熟,可以着手解答最根本的几项问题了。科学很容易令人迷醉。我们的上一代(由于成长时代关系,他们认定发明真空管收音机就已是奇蹟)却没有敲锣打鼓庆贺,两代落差让偏见更深,使我们更加觉得不需要理会他们那套陈腐作法。所以啦,达赖为什么不该听从天文学家的意见?

  接下来,苏联的史普尼克号人造卫星在一九五七年轰轰烈烈地升空,对于我们这一代人而言,那是个重大的时刻。随后,举世沉迷于科技当中,认为它攸关国家安全,影响所及使得一九五○年代末、六○年代初,最好、最聪明的学生都投身于科学,或至少会考虑走这条路;犹如十年之后,他们转而投身法学院,又过了二十年,唉,却进入企业管理学院一般。事实上,开疆拓土本来就是一条漫长又艰辛的道路,因此多数人最后都转行至其他领域,有些去销售电脑,还有人则浑浑噩噩度日。最后只有少数人能坚持下去,成为宇宙学家。

  这本书就是关于字宙学家的故事。

  这本书是讲二十世纪后半期宇宙学研究的面貌,也是讲一群男女菁英分子的故事,他们拥有电脑晶片、地底的粒子加速器、十吨重的镀铝镜片、电波望远镜,而且具有幽默感,也深感自豪,奋力钻研的是我在童年时期不断思索的课题。他们是这个科技时代的宣教士,也是创造神话的人。

  所有关于宇宙可能从无变有的观点,包括我们的骨头和血液的原子,都是在很多光年之外、在诞生于数十亿年前的星体中冶炼成形,还有组成原子的粒子,都是源起于创世最初百万分之一秒的能量和作用力不是更像神话?我们全都是宇宙制品,也是宇宙这个最终谜团的活生生证据。我们是有生命的尘埃,有意识的星尘。

  现代版本的宇宙史是个很棒的故事,说不定还是个正确的版本呢。或许这正是人类的本性,宇宙学家(或所有时代的巫医)总是认为,他们就将要敲开永恆真理之门,就要破解宇宙最后的祕密。但他们错了,而且一直以来都是如此,这也可能是人类宿命的一部分。经由不断的尝试错误和怀疑,科学得以逐步进展,结果科学也成了一大堆不成功的「终极理论」的坟场。不过,这一路下来,至少宇宙学家犯下的错误都

图书试读

第二十三章 天国

宇宙学,寻找宇宙起源和最终命运之祕的学问,这种探索与渴望古已有之,却直到近代才成为科学。迟至一九一七年,爱因斯坦才首度证明出宇宙是种弯曲膨胀空间。又过了十年,哈伯才发现邻近星云都是星系并以高速彼此分离。宇宙学建立于何时,端视你把哪件事当作起点而定,因此到了柯纳研讨会时期,这个领域也不过才成立了六、七十年;至今,我们可以把该领域的整个历史浓缩为一个人(例如桑德志)的一生。他说对了,他在这个领域才刚起步。我们都才刚起步。

离开柯纳时,我觉得宇宙学刚跨越了某个分水岭。我觉得某个阶段正步向终点,另一个阶段才正要开展,也或许还没有诞生。很难说到底是什么东西正踏向终点;或许是年轻狂傲,自以为答案唾手可得,认为宇宙很单纯。我们不再年轻。所有轻而易举的答案正悄悄熘走,永不复返。

在柯纳研讨会期间,媒体界没有人出席,大会也没有人负责公关,仅列了一个议程,而且会前没有人传阅论文,没有人知道究竟会有哪些议题在会中提出。结果是几乎没有人知道我们在这处火山岛上,在这个封闭、狂热的小聚落上讲了哪些话。我热切等待,希望能听到广大的天文学界传出一些流言蜚语和引起一些骚动,结果完全没有。接下来三个月,我四处旅行,拜访欧洲、澳洲的科学家,但就是没有人谈到或写到柯纳、超级煎饼和宇宙大团物质急冲运动等事情。过了一阵子,我开始认为那整件事情只不过是集体犯下的错误。来到雪中的俄罗斯,柯纳似乎只是南柯一梦,它只是对宇宙巨兽来了个惊鸿一瞥,在它的后面还是有一道帘幕深锁着宇宙的祕密。如今,这道帘幕深锁依旧,但宇宙是何等疯狂的恶梦或许仍在宇宙间回盪。或许皮伯斯对了,宇宙是永不可解的。

科学就是这样,宇宙学当然也是如此。在这世界上,有人要建造宏伟教堂,也总会有幼稚的人尾随破坏,做出刺眼的观测结果。在我眼中,科学家的工作大半是暴露自己,好让那些可能伤害你最深的人能够将你看透,把你扒开;你的同行就是这样。就是这样不断辗磨尊严,才能制造出成功的锯。桑德志花了上半辈子,建造出时间和距离的大教堂,又投入后半辈子对抗攻击,以支撑教堂于不坠。宇宙会暴胀,里面塞满冷暗物质,这也是另一座大教堂;到最后,大引力子(Great Attractor,也就是造成苍穹中物质假设运动的那种东西,这是七武士之一,德瑞斯勒的说法)会不会把它击毁,目前还看不出来。

天文学家都不愿意跳上列车,和塔利、七武士还有柯纳的其他狂人一起游行。若要证实他们撒下的是弥天大谎,就必须投入长期的努力研究,例如必须先好好研究南天,那里不像北天,现成的星录很少。由于并没有其他佐证资料,所以事后只有少数人有办法评论七武士的观测和分析结果。其实七武士也开始内斗。的确,七武士的资料就像天空本身,只是种墨迹,所有宇宙学家都可以看着资料各自发现不同真相。

读到这里,读者可能会觉得怎么真相老是在眼前悬盪,接着又勐然抽离,我可以谅解这种想法。既然到头来还是错,当初为什么要学这些东西?在莫斯科一个阴暗的冬日里,沙多维契在他的办公室里提出解答。他谈到超弦。「我们物理学界已经有了一种相当明确的发现,」他边说边举起一根食指在我眼前摇晃。「不管十维超弦有哪些成功发现,都不能否定我们所知道的现象。科学获致的成果是不会走回头路的。」

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