王正行

愛因斯坦說，當(dāng)數(shù)學(xué)規(guī)則與實(shí)際聯(lián)系時(shí)，它們就不確定;而當(dāng)它們確定時(shí)，就與實(shí)際無關(guān)。這里說的實(shí)際，也就是物理。

換句話說，一旦涉及物理，就會(huì)出現(xiàn)不確定，從這種不確定中會(huì)產(chǎn)生新的物理。

對(duì)于宇宙的思考，可以追溯到人類文明的早期：華夏有陰陽五行、天人合一，古印度有釋迦牟尼大千世界，古希臘有亞里士多德的《論天》，還有《圣經(jīng)》里的《創(chuàng)世記》。伽利略和牛頓確立了必須用觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)對(duì)自然的邏輯思考，于是近代科學(xué)誕生，迄今才三百多年。

理論必須和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相結(jié)合，這是近代科學(xué)的核心理念。李政道先生曾提出物理學(xué)家兩定律：沒有實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，理論物理學(xué)家就會(huì)漂浮不定;沒有理論物理學(xué)家，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家就會(huì)猶豫不決。

在理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的原則引領(lǐng)下，近代科學(xué)在20世紀(jì)初葉出現(xiàn)了兩次重大變革：一次是從牛頓絕對(duì)時(shí)空觀到相對(duì)論時(shí)空觀的轉(zhuǎn)變;一次是從拉普拉斯決定論因果觀到量子力學(xué)統(tǒng)計(jì)性因果觀的轉(zhuǎn)變。

這兩大變革的發(fā)展一直延續(xù)至今，并且體現(xiàn)在近代宇宙論的發(fā)展之中，涉及宇宙時(shí)空結(jié)構(gòu)的演化和宇宙誕生發(fā)展的推動(dòng)兩個(gè)方面。

由于廣義相對(duì)論的觀測(cè)效應(yīng)極其精細(xì)，二戰(zhàn)之后電子技術(shù)的飛速發(fā)展，才使近代宇宙論進(jìn)入高速發(fā)展期，成為20世紀(jì)下半葉以來最受矚目的新興基礎(chǔ)學(xué)科之一，出現(xiàn)了許多面向一般讀者的普及讀物。

美國國家科學(xué)院院士、普林斯頓大學(xué)教授萊曼·佩奇的這本《宇宙小史》著重分析了宇宙時(shí)空結(jié)構(gòu)的演化，涉及時(shí)空觀念的轉(zhuǎn)變和物質(zhì)觀念的發(fā)展。

牛頓時(shí)空觀把空間想象為一個(gè)空空如也、固定不變的真空容器，用來裝載各種物質(zhì)器物，而把時(shí)間當(dāng)作這些器物在此真空容器中演繹變化的歷程。這是根植于我們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)的一種直覺的觀念，很容易為一般讀者所接受。

狹義相對(duì)論根據(jù)光速不變的假設(shè)，推導(dǎo)出“同時(shí)”具有相對(duì)性——在車上看是同時(shí)發(fā)生的兩件事，在地上看并不同時(shí)。這與我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)不同，在當(dāng)時(shí)的歐洲民眾中就引起了轟動(dòng)，使愛因斯坦成了婦孺皆知的人物。

而廣義相對(duì)論進(jìn)一步根據(jù)慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等的假設(shè)，推導(dǎo)出時(shí)空與物質(zhì)有關(guān)，隨物質(zhì)的分布與運(yùn)動(dòng)而改變，這就更進(jìn)一步顛覆了我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)，更難為大眾所接受。

憑什么是這樣的，請(qǐng)拿出證據(jù)來！佩奇在本書中著重分析的就是宇宙時(shí)空結(jié)構(gòu)如何演變的觀測(cè)證據(jù)，以及這些證據(jù)所表明的宇宙物質(zhì)形態(tài)與結(jié)構(gòu)的情形——時(shí)空與物質(zhì)是互為因果的。

本書正文部分有五章，另有四個(gè)附錄。第一章介紹了宇宙的尺寸、膨脹、年齡等常識(shí);第二章介紹了宇宙微波背景、物質(zhì)、暗物質(zhì)和宇宙學(xué)常數(shù)，以及宇宙結(jié)構(gòu)的形成和演化過程;第三章專門分析宇宙微波背景，這是對(duì)宇宙觀測(cè)的一個(gè)主要方面;第四章分析了現(xiàn)在理論上的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型;第五章探討了當(dāng)今宇宙學(xué)研究的幾個(gè)前沿領(lǐng)域，這里面最有意思也最不清楚的是作為宇宙結(jié)構(gòu)最大成分的宇宙學(xué)常數(shù)。

狹義相對(duì)論假設(shè)空間與時(shí)間并不是獨(dú)立無關(guān)的，三維空間與一維時(shí)間互相關(guān)聯(lián)構(gòu)成四維時(shí)空。廣義相對(duì)論進(jìn)一步假設(shè)四維時(shí)空并不平直，而是彎曲的，彎曲的程度取決于物質(zhì)的時(shí)空分布和運(yùn)動(dòng)：時(shí)空彎曲的幾何，聯(lián)系于物質(zhì)的分布和運(yùn)動(dòng)。寫成方程，就是幾何的數(shù)學(xué)量聯(lián)系于物質(zhì)的物理量。

愛因斯坦說，當(dāng)數(shù)學(xué)規(guī)則與實(shí)際聯(lián)系時(shí)，它們就不確定;而當(dāng)它們確定時(shí)，就與實(shí)際無關(guān)。這里說的實(shí)際，也就是物理。換句話說，一旦涉及物理，就會(huì)出現(xiàn)不確定，從這種不確定中會(huì)產(chǎn)生新的物理。當(dāng)時(shí)對(duì)物理的認(rèn)識(shí)主要是萬有引力，所以把這個(gè)方程叫作愛因斯坦引力場(chǎng)方程。近代宇宙論分析的就是這里面的物理。

最初的物理，只想到萬有引力來自物質(zhì)的質(zhì)量，認(rèn)為這是決定時(shí)空彎曲和宇宙結(jié)構(gòu)的主要成分。而只有引力的體系不可能靜止，為使宇宙靜止和穩(wěn)定，還要引入新的物理，所以愛因斯坦在方程中又加了只與時(shí)空有關(guān)的一項(xiàng)，叫作宇宙項(xiàng)，比例常數(shù)就叫宇宙學(xué)常數(shù)。

當(dāng)時(shí)人們覺得這一項(xiàng)的作用很小，甚至可以略去。但是隨著實(shí)際觀測(cè)的進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)由原子、分子構(gòu)成的可見物質(zhì)的作用很小，只占大約5%，還必須有大約25%看不見的“暗物質(zhì)”，而其余大約70%是宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)的貢獻(xiàn)，又作“暗能量”。

這個(gè)當(dāng)初愛因斯坦都想略去的宇宙學(xué)常數(shù)，竟然成了支配整個(gè)宇宙的主要成分。此外，為改善微波通信而于1965年偶然被發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景，雖然所占份額很小，但卻是觀測(cè)早期宇宙及其結(jié)構(gòu)分布的重要手段。

這就是佩奇這本書中說的現(xiàn)代宇宙學(xué)關(guān)注的宇宙微波背景、物質(zhì)、暗物質(zhì)和宇宙學(xué)常數(shù)四大部分。

愛因斯坦還說過：邏輯上簡(jiǎn)單的東西，當(dāng)然不一定就是物理上真實(shí)的東西;但是物理上真實(shí)的東西，一定是邏輯上簡(jiǎn)單的東西。這就涉及廣義相對(duì)論的邏輯與數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，超出了一本普及讀物的范圍。

佩奇的這本書，基本上不用數(shù)學(xué)公式，盡量避免使用專業(yè)術(shù)語，使用了許多淺顯和接近日常生活的比喻，語言生動(dòng)活潑。但是正如他所說的，還是對(duì)讀者的知識(shí)水平和興趣程度做出了更高的預(yù)期，讀者如果有一定的知識(shí)水平，并且對(duì)他的講解有很大興趣，就可以從他的敘述與解說中獲得更多知識(shí)。

當(dāng)然，正像他在第五章最后的小結(jié)中所說，對(duì)于那些凝望深空的人來說，發(fā)現(xiàn)了新事物，產(chǎn)生了新想法，就是最好的興奮劑。開卷有益，只要認(rèn)真地看，就會(huì)有所收獲。