第二十章 灵动的宇宙
一
天文学是最古老的学科之一，从人类最早观察天体，记录天象起，算来也该有五六千年的历史了。16世纪波兰科学家哥白尼提出的“日心说”，标志着近代天文学范式革命的开始，这个革命的完成以1687年牛顿的《自然哲学的数学原理》为标志。牛顿以他的“牛四条”公理系统把先前伽利略发展出来的“地上的物理学”和开普勒发展出来的“天上的物理学”统一为一个完整的科学体系，开创了用力学方法研究天体运动的经典天文学，1846年海王星的发现，是经典天文学登峰造极的辉煌成果。
革命的经典天文学仍然符合古希腊原子论者原子和虚空的构架。天体无论大小都被视作没有大小的质点，唯一的规定性是质量，是茫茫宇宙中的“不可分的”点——原子。而虚空——绝对空间和绝对时间，则为天体（宇宙原子）提供一个终极坐标，衡量出天体的运动或静止，运动轨迹和速率快慢。天体和时空是互为独立的，空间是一个空箱子，哪怕所有的天体皆不存在，空间也会依然故我，时间也是同样，不依赖于天体而均匀地流逝。
相对论的诞生又是天文学的一次范式革命，绝对时空在革命中灰飞烟灭——它们由于其不可观察性被实证主义的剃刀无情地剃除。空间和时间只能是天体运动的呈现，脱离观察者的时间和空间是不可思议的。讨论天体是运动还是静止，运动或快或慢，在没有给出具体的坐标系前是没有意义的。比如钱德拉乘坐的“劳埃德·特里埃斯蒂诺号”，以甲板为坐标它就是静止的，以海岸为坐标它就是运动的。如此看来，哥白尼的日心说也不是什么绝对真理，托勒密的地心说也并非绝对错误，二者是区别不在于对错，而在于好坏，前者之所以更“好”，是因为更符合“最少最多”原则（假设最少解释现象最多），更简单优美，如此而已。
广义相对论的革命成果，为我们熟知的是关于“弯曲空间”的规定。经典空间是平直的，因此欧氏几何学有“两点之间直线最短”的不言自明的公理。而爱因斯坦规定了天体的质量会使空间弯曲，质量越大曲率就越大。牛顿公理性质的万有引力定律在爱因斯坦这里成了广义相对论方程的一个推论。月亮之所以绕地球转，地球之所以绕太阳转，均由于地球和太阳的质量而造成的空间弯曲，按作用量最小原理，天体只能走椭圆的轨迹。由于弯曲空间，没有静止质量的光线都会像月亮和地球一样走曲线，这是1919年爱丁顿的“伟大验证”证实了的。因此宇宙是有限无边的，沿着最经济的路径，哪怕是光线一往直前的运动最终也会回到原点。
其实广义相对论最富革命性的成果是有关时间的，只是其发明人不能自觉而已。按广义相对论方程，整个宇宙的空间要么是不断扩张，要么不断收缩，总之不能是稳态的。这个结论太可怕了！因为按相对论，空间和时间是纠结在一起成为一个四维时空的。宇宙空间的扩张或收缩，就暗示了时间会有一个起点或终点，这不符合几百年来的科学世界观的，倒暗合了宗教的创世说。据说有人问经院哲学家奥古斯都，上帝在创造世界之前在干什么，后者冷峻地答道：“他在为提这个问题的人准备地狱！”尽管爱因斯坦大胆地揭示出空间有限的事实，但情感上显然不能接受一个有限的时间。为此他给广义相对论的方程式外加了一个“宇宙常数”，以维持一个稳态的宇宙空间。我们已经多次见到，一个科学理论比它的发明者更聪明，爱因斯坦后来承认宇宙常数是他“一生中犯下的最大错误”。
如果说1919年爱丁顿是有计划地验证了广义相对论关于弯曲时空的推论，那么过了10年，1929年美国天文学家爱德温·哈勃（Edwin P. Hubble）则是在美国加州的威尔逊山天文台无意地验证了广义相对论关于时空膨胀的推论。他在天文观测中发现，天体在彼此远离，就像是上帝在吹宇宙这个大气球，使其越来越大！爱因斯坦的宇宙常数是不存在的，倒是有一个反应宇宙膨胀的速率的常数叫“哈勃常数”。基于这个天文观测事实，1948年，俄裔美国科学家伽莫夫提出了宇宙爆炸假设，即认为宇宙是在一个超致密超高温的火球的一次大爆炸中诞生的——宇宙有她的历史。总之，由于广义相对论和新的观测成果，诞生了一个天文学的分支——宇宙学，研究宇宙在时间上的演化，尽管这门学问在最初的几十年里并不怎么热门。
1962年，刚从牛津大学毕业考取了剑桥大学博士研究生的20岁的英国男孩斯蒂芬·霍金面临着两个研究方向的选择——基本粒子和宇宙学，前者是研究极小，后者是研究极大。选择并不困难，因为在霍金看来，基本粒子世界是那样的庞杂无章，物理学家们还在寻找像元素周期表那样的秩序来收拾乱像呢，而研究宇宙学则有洋溢着华丽庄严古典美的广义相对论。唯一遗憾的是，他原想师从他心目中的天文学英雄弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle），但分配给他的导师却是丹尼斯·夏玛（Dens Scama）。不过他很快就发现这并不是一个糟糕的安排。霍伊尔的名气太大，各种活动使他不可能有足够的时间和精力来指导研究生。而且那种权威的偏执和专断，霍金很快就见识到了。
霍伊尔一直是宇宙稳态论者，却成为了“大爆炸”一词的发明者。1949年霍伊尔在BBC的一次广播节目中首先使用这个词嘲笑宇宙膨胀模型，不料从此被天文学界接受下来成了一个专业名词。霍金入学剑桥的时候，霍伊尔又发展出了一个新的宇宙稳态模型。他的一个研究生拿里加为这个模型做数学工作。霍金的办公室恰好与拿里加办公室毗邻，因此有机会了解这个模型的所有细节。当霍伊尔认为这个理论已经成熟的时候，在皇家学会的一次会议上他就公布了这项成果。这是一个有100名听众的会议，霍金也在其中。演讲在热烈的掌声中结束，霍伊尔脸上浮出了成功的笑容。就在这个当口，听众席中霍金柱着拐杖艰难地站了起来，会场转为寂静。
“你谈到的那个量是发散的。”霍金说。
听众席一片窃窃私语。如果真这样的话，就意味着霍伊尔的最新成果要胎死腹中！
“它当然不发散！”霍伊尔脸色铁青。
“它是发散的！”霍金梗着脖子又重复了一次。
“你又怎么知道呢？”霍伊尔恼羞成怒。
“因为我把它算出来了。”霍金轻松地回答。
会场里爆发出一阵令人尴尬的笑声。
事后霍伊尔当面谴责霍金这种行为不道德，霍金则针锋相对地指出是霍伊尔不道德在先，因为他违反了学术规范公布未经证实的理论成果。倒霉的拿里加只得独自承受霍伊尔的全部怒火——他被当作霍金派来的卧底。
霍金把自己的观点写成了论文，并且被同行们所认可。21岁的霍金在宇宙学领域初露头角。
可是一个如此年青而富有创造力的生命，此时已被医生判定只有两年的时间了！
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