第1章 宇宙爆炸之旅
这令人敬畏的运动意味着什么?
——果戈理(Nikolai Gogol),《死魂灵》(Dead Souls ),1842从安第斯山顶的一座天文台观察一个无月的午夜,不会闪烁的星星洒满天空。天地再小,都不会没有星星。银河用如此炽烈的光将宇宙一分为二,天文台的巨大圆顶向地面投下模糊、梦幻的阴影。
天文台的金属通道上响起“嗒嗒”的脚步声,打破了夜晚的宁静。那声音来自天文台台长米格尔·罗思(Miguel Roth)。他停下脚步,漫不经心地眺望这番景色,仿佛过去这20年他不是在这里度过似的。罗思帅得像电影明星,对这群生活在稀薄空气中、在地表最完美的天文场所全神贯注地凝视宇宙的研究人员来说,他是无人质疑的教父。那天晚上,罗思陪同一位对世界的运动方式感兴趣的美国记者参观天文台。
那位记者就是我。
为了找到世界如何运动的规律,我必须全力以赴。
从我们当地的公共图书馆开始,那儿的事物以一种优雅的慢速在移动,我一直在寻找最早被记录的有关自然界运动的现象。我观察着病毒、指甲或地壳板块的运动——这些东西移动和成长得如此缓慢、勉强,根本让人难以察觉。但它们确实在慢慢开始增长。
但动作片从来不以呆滞、了无生气的方式开场。我喜欢从慢到快的移动,但为何不拍一个所有事物都以呼啸而过的速度猛冲飞驰的开场?只有自然界的疯狂之心才设想得出来如此狂暴地击打地面?
但那种歇斯底里的状态不存在于地球上。一切运动之母是正让自己爆炸的宇宙。宇宙一边爆炸,一边创造出各自区隔的运动场域,就像急流中的诸多旋涡。
地球之外,蛮荒当道。连最小的太阳望远镜都显示,即使是附近的太阳,地球的生命之源,也一直是世界末日般的情景。当我们注目于最遥远的星系时,看到的是旋转、碰撞、崩塌得比光速还快的事物。
但终有一死的凡人,如何能够感知宇宙正在他们周围爆炸?我需要拜访那些拥有全世界最好装备的顶尖天文物理学家,这些人习惯于跳出定向思维。而且,这个定向思维不是什么循规蹈矩的容器,而是像被抛向空中的货物一样,无特定目标疯狂猛冲的地球。不只是云的问题,天文学家需要的是稳定地“看见”(不会模糊的影像),这需要头顶上的空气免于多重温层乱流的干扰。山顶很好,但最理想的地点不在美国中部或欧洲——甚至连亚洲的喜马拉雅山都不行。这种理想地点在南美洲。南美大陆在天文学上的顶尖地位有着古怪的根源,与一位过世多年的苏格兰人有很大关系。
这个苏格兰人就是工业家卡内基(Andrew Carnegie,1835—1919),一个容易招人怨恨的家伙。他的工人过着勉强糊口的日子,反抗老板吝啬减薪又不成功,而他却成了全世界最有钱的人。到了19世纪末,卡内基钢铁公司(Carnegie Steel Company)——后来叫作美国钢铁公司(United States Steel Corporation)——把这位个子矮小的老板(他身高也就150厘米多一点)送进苏格兰城堡去过国王般的生活。
但人人都赞许暴君改过向善,从罪人变圣人。当时间从19世纪进入20世纪时,卡内基做了180度的转变。在一篇又一篇新闻报道中,这位强盗男爵的表现把狄更斯笔下的吝啬鬼斯克鲁奇(EbenezerScrooge) [1] 都给比下去了,他开始倡议反战和不分党派的免费教育。他捐款的数额令人难以置信,最后他总共捐出自己3.8亿美元的全部财产——相当于今日的数十亿美元。他还设立了超过3000所免费图书馆,资助非裔美国人接受教育,建造了许多举办音乐会的场所(比如曼哈顿的卡内基音乐厅),并且(如果你认为这样永远轮不到科学的话)成立了一系列尖端研究基金。卡内基天文台就此诞生,这个独一无二的机构,至今仍在全力研究宇宙最大的谜团,这些谜团是以最大规模的运动为轴心的,这对我们而言是一件幸事。
卡内基聘用了他所能找到的最佳人选担任这个新设机构的首任台长——海耳(George Ellery Hale,1868—1938),再由他来召集当时头脑最聪明的人。海耳首先聘用了大名鼎鼎的沙普利(HarlowShapley,1885—1972),此人发现,地球并非如赫特人贾巴(Jabbathe Hutt)那般动都不动地位于银河系的中心。这是刚到来的20世纪与运动相关的最大新闻。他发现,太阳与地球更靠近银河系边缘而非中央,因此当银河系旋转时,太阳与地球如旋涡般绕行。 [2]接着,卡内基聘用了刚从牛津做研究回来的美国天文学家哈勃(Edwin Hubble,1889—1953)。他在那儿学了一口英国腔,而且恼人的是,他始终改不回来——这把他的同事们逼疯了。
海耳和卡内基都相信,伟大的发现要靠全世界最大的望远镜,他们做好了建造计划。威尔逊山周边地区的场址测试在1903年开始进行,然后是洛杉矶郊区一块僻静冷清的区域。他们很快就建成了一座庞然大物,它有着全世界最大的1.5米口径的镜片。接着在1917年,也是在威尔逊山,他们超越自己,建成了2.5米口径的巨型胡克望远镜,4082千克重的光学镜面是用酒瓶玻璃熔制而成的,这也解释了那架望远镜的镜片为何是绿的。这件事情的真相足以难倒美国电视益智竞赛节目《危险边缘》(Jeopardy! )的所有赢家。在乡村电气化以前的时代,每一架望远镜都是凭借2吨重锤推力所驱动的机械装置来精准追踪恒星的。
就是在那里,傲慢、讨人厌却是20世纪顶尖观测天文学家之一的哈勃,拍摄到一颗形态特殊的变星,并断定仙女座内一个有名的椭圆形明亮团状物不只是一个邻近的星云,而是一个独立的“岛宇宙”
(island universe)——一个有着数十亿颗太阳的遥远帝国。他进而推论,所有螺旋星云一定也同样是一个个独立的星球王国,一直向远方延伸下去。宇宙立刻变大100万倍。 [3]我咨询卡内基天文台台长温迪·弗里德曼(Wendy Freedman),她告诉我,这个发现“与哥白尼革命同样伟大”。
“没错,哈勃或许自大,”她承认,“历史上改变宇宙本质的时刻没有几次,你不能抹杀他的贡献。”
你也不能抹杀年轻的卡内基科学研究院(Carnegie Institutionfor Science)所做的贡献,他们立下一座又一座里程碑,仿佛从魔术师袖子里变出纸牌一般。台长海耳一手创立了美国国家科学院(National Academy of Sciences),他麾下的天文学者发表的研究成果指出,椭圆星系只有老恒星,螺旋星系则还在制造新恒星。这些发现引发了震撼。其中最大的发现与我们的探索有关:1929年的发现指出宇宙正在扩张。
从来没人这么想过。没有任何宗教的神圣经典,没有任何文艺复兴时代的科学家,没有任何哲学家曾说过整个宇宙越变越大。真的,古希腊人虽是优秀的逻辑学家,但他们会毫不怀疑地把这个想法斥为不知所云。如果所有事物同时扩张,那又怎么可能有人知道这件事正在发生呢? [4]关于宇宙变动的第一个暗示在1915年浮现在爱因斯坦的脑海里,因为当时他提出广义相对论,而他的数学在一个静止的宇宙里是行不通的。但当时假定宇宙是静止的——这是一个“既定条件”,一个真理,而爱因斯坦没有理由加以质疑,所以他加上了一个著名的附加数字,他称之为宇宙常数(cosmological constant)。此后,他的方程式在一段时间内很有效。但当哈勃发现,其实每个星系都呈现红移(redshift),显示星系快速退离我们时,显而易见的结论是:宇宙正在爆炸。相邻星系团正在分离。爱因斯坦没有用任何望远镜看,就在他的脑子里预测到这件事,要是他对自己更有信心一点,早就可以发表他的观点了。“这是我这辈子最大的错误。”他对每个愿意听的人念叨这件事。
这是做梦都想不到的运动规模。即使是相邻星系,那些和我们最接近、占宇宙星系总数十万分之一、在所有星系当中移动最慢的,也以每秒约2250千米的速度奔离我们。那些存在于距离地球“仅仅”10亿光年处的星系,则以每秒22,500千米快速远离。这比高速子弹还要快上28,000倍。
布满夜空的可见恒星的移动速度不可能比每秒965千米还快,否则就会脱离银河重力的控制,飞离银河系。在1929年,像每秒2250千米的速度——意思是,你讲“亲爱的,系上你的安全带吧?”这句话所花的时间,就可以让你从伦敦到纽约了。
最新观测到的速度令人惊讶得喘不过气来,也让人沮丧气馁。这下很明显了——且至今依然如此——无论未来发明什么样的推进系统,绝大多数的星系是我们永远无法造访的:这些星系逃离的速度快到我们永远无望接近。
海耳虽因严重的健康问题受苦多年,但还没被击倒,他筹钱建造了新一代的大型望远镜:南加州帕洛马山(Palomar Mountain)上面的口径5米的望远镜。这架望远镜在1949年开始被使用,有一块宽如一间客厅的聚光镜片。接下来的四分之一个世纪,帕洛马望远镜一直是全世界最大的望远镜。
卡内基天文学家长期以来还是想在南半球有一处观测站,那样他们就能接触隐藏在加州地平线另一边的许多神秘地点。20世纪80年代,他们忍痛放弃对威尔逊山的监护权,从威尔逊山附近看星星,比从好莱坞附近看更模糊,这要感谢城市迅猛的发展,以及每年增长10%的路灯。 [5] 他们转而指望另一处场址——安第斯山脉中的一座山,卡内基研究院在1969年便已将其购入,当时的汇率低到3分钱就能买到一杯原味含糖可乐。这座天文台被命名为拉斯坎帕纳斯(LasCampanas)——在西班牙语中的意思是“钟声”。它很快成了研究院的重要设施,人们在这座天文台上建造了两架名列世界前茅的望远镜。
这对6.5米口径的望远镜,在2002年建成,合称大麦哲伦望远镜(Magellan Telescopes) [6] 除了反射器出色之外,大麦哲伦望远镜的观景窗的半度视野能将整颗月球摄入一幅照片中。近乎完美的影像是由独特的计算机驱动活塞产生的,这种活塞使镜片每分钟变形两次,以维持其完美的拋物线形状。同样著名的是大麦哲伦望远镜观测到的如磐石般稳定的影像质量,全世界无出其右。说是全太空最佳大概也可以。 [7]这种第一等的研究中心不接受临时访客,但我知道可以利用自己在天文学报道方面的信誉,在那儿逗留几个晚上。这是观测宇宙最快速度的理想地点。我打电话到温迪·弗里德曼位于加州帕萨迪纳的办公室,她安排妥当后,我就启程前往南美。
飞往圣地亚哥的航程似乎没完没了,但好运随之而来,我顺利搭上飞往南美洲的航班。拉斯坎帕纳斯的台长在城里,因此,在那座迷人城市的美丽近郊,我和罗思博士在一张户外餐桌旁共进晚餐。担任台长17年,罗思显然以这座设施为荣:“我们位于海拔2590米的高处,夜晚真的是一片漆黑。这个场址无与伦比,我们一年有300个晴朗的夜晚。阿塔卡马沙漠(Atacama Desert)一望无际,最近的零售杂货店在160千米之外。”
两天后,经过一趟振奋人心的飞行,掠过安第斯山脉的锯齿状雪峰,并环顾座舱、赞赏我这位旅伴的品味后,我终于抵达可爱的海滨度假小镇拉塞雷纳(La Serena),也就是拉斯坎帕纳斯天文台总部所在地。那一年,天文台工作人员花了很多时间寻找超新星,这些超新星的“标准烛光”亮度(standard candle) [8] 有助于确定精确的星系距离,从而让科学家了解宇宙如何随时间而扩张。所以,这就是各个卡内基天文台当前的首要目标:解开宇宙命运的密码。
这么一来,我们便触及了这个课题的实质内容。这堪称是全科学界最大的谜团,而谜团的核心就在于速度。幸好,这个谜团可以被简单地陈述。哈勃常数——星系奔离我们的速度——在60亿年前神秘地发生变化,当时宇宙的年纪只有现今的一半。星系团开始加快飞离的速度,仿佛这些星系团的火箭引擎突然被点燃了。原因通常被称为“暗能量”,但这个词不过是一张标签,贴在一个1998年首度披露的谜团上。就像弗里德曼叹着气说的:“这很难加以解释,这是一个令人茫然费解的奥秘。”
随着苏联时期的百科全书被粗暴地涂抹删改,宇宙学家很快做了修订,草率改写了他们的“宇宙概要”手册。当时,人们把宇宙的四分之三专门用于某种诡异的反重力之物,而在一年前,完全没人想到会有这种东西存在。探测反重力之物强大的效应,逐渐成了天文学家一个迫切需要解决的研究焦点。我猜,正是这个目标,就是在智利这座山顶上等我的那些人全神贯注的原因所在。
第二天,我搭乘出租汽车离开拉塞雷纳,取道泛美高速公路少有人走的一段北部路段。这条路直接进入地球上最干燥的阿塔卡马沙漠南部。经过两个小时的荒芜路程后,车子转进一条连续爬坡的泥土路,路旁有野驴和鼠兔——鼠兔看起来像是松鼠和兔子的混种。拉斯坎帕纳斯辽阔、干透的峰顶点缀着白色圆顶,高海拔加上低湿度,形成万里无云的蓝天。
我在中午抵达,大家刚刚睡醒,时间刚刚好。所有人都刚冲完澡,也饿了,他们列队进入宽敞的大餐厅,仿佛要进行某种宗教仪式似的。他们讲的话类似英语,但这种方言充斥着外人难懂的天文物理学用语。
天文学家凯尔森(Dan Kelson)和马多尔(Barry Madore,弗里德曼的丈夫)坐在我旁边。这是难得的机会,我一点都不浪费时间,直接切入有关宇宙速度及其对于宇宙的未来有何含义这类深奥主题。
“我是来这里凑热闹的,”马多尔谦虚地笑着说,“不是来提供终极答案的。”
但稍后在星空下,他变得严肃起来。“我们现在是怀着不确定感与宇宙的扩张共存。”我和他在一座巨大的圆顶里碰面时,他这么说道,而当时圆顶的计算机风扇和驱动马达的嗡鸣声成了我们对话的配乐。不确定性指的不只是宇宙何时从减速变成加速,也涉及这种变速是否会持续下去,到最后甚至反转的情况。不过我认为如果要面对的最糟状况只是不确定性,他也没什么好抱怨的。人类竟敢去触及最快的速度,还有以每秒约8万千米的时速远离我们的恒星群落,这还不够吗?
我很高兴这样一个大型机构将其资源投入这样一个看起来很棘手的目标——卡内基慷慨捐出了财产,我也这样对他说了。
当我请他比较拉斯坎帕纳斯和其他公开募资的机构时,马多尔说:“麦哲伦望远镜运转一个晚上要花掉4万美元,但我们还是可以带着玩心求创新,还能冒点险。这里有一处很大的区别,国家天文台,像基特峰(Kitt Peak),他们完全反对冒险。而这里则是整天都在冒险。”
夜晚给安第斯山脉和我们下方看不见的黑色沙漠带来了晦暗。银河——这个名称应该没让天文学分心伤神吧——灿烂得惊人,仔细看还有很多花纹斑点,好像印象派的点彩画法。银河主宰了智利的夜空。
此刻,在一架6.5米口径巨型望远镜外围的高空通道上,罗思和我会合,我们抬头凝视夜空,一如古代的中美洲人,他们认为银河是所有存在的中心。
罗思授权我可以到处去逛,所以我按指示只打开雾灯就开车上了弯弯曲曲、没有护栏的山路。我从一座圆顶到另一座圆顶,拜访了每一座圆顶里的研究人员。在其中一台6.5米口径的仪器上,我找到了自己一直在寻找的东西。在这儿,来自遥远星系的微光,经过6.5米口径的望远镜的巨大反射镜被放大强化100万倍,已经持续聚光了好几个小时,但还要持续9小时;天文学家无事可做,只能边聊天边等。
和我共进午餐的凯尔森正在搜集来自80亿光年外的星系之光。他注意到我的采访笔记,于是开始解释:“这个仪器一次可以测量4000个星系,那样能够搜集到足够的资料。”
凯尔森已经习惯搜集完资料,马上就进行密集分析的无休止循环。38岁的凯尔森来自伊利诺伊州,他才华出众、口齿清晰,曾经协助开发了新技术,就是在一块金属板上切割出数千道精确定位的细缝,以便同时分析一组特定的星系。在数千个恒星群落的星海中发现某个恒星群落有任何值得一提的地方的技术,就好比凡·高画作中的唯一一朵向日葵,这项技术会让它立刻显现出来并加以标示,以供进一步研究。
“我七八岁时,爷爷奶奶给了我一架西尔斯牌的折射式望远镜,”他后来告诉我,“我把每一个星座都研究过,那所小学的图书馆里的每一本天文学书籍我都读过。”
他着了迷。凯尔森在加州大学拿到博士学位,同时也在那儿遇见日后的妻子,并以同等的耽溺不悔钻研冰激淋的制作:他每年都要吃上几百品脱 [9] 的冰激淋。
但那些加起来有好几千克的饱和脂肪并未拖延他热情的脚步。在许多个夜晚,他使用夏威夷冒纳凯阿山顶凯克天文台(KeckObservatory,Mauna Kea)的新望远镜观测天空 [10] ,以及分析哈勃太空望远镜的资料,并将它们包含在自己的论文研究中。
他正是哈勃想要传递火炬的那种人——能把哈勃宇宙膨胀解释清楚的合适人选。凯尔森融合尖端光谱科技与数字分析的能力,能够追随远去的卡内基天文站的传奇天文学家迈向银河的脚步。
在黎明第一道曙光来临之前,凯尔森会持续侦测以每秒约18万千米的惊人速度逃离地球的物体。事实上,凯尔森在几年前就已经发现人类所知最遥远、速度最快的星系,而且在2013年,他又一次观察到这个星系,成为各大报纸新闻的头版头条。
那天晚上最朦胧的暗影,有些可能就位于可观测到的宇宙的边缘,也是人类从古至今所能看到的速度最快之物。这是速度的外缘界限——万物皆居其中的运动包层。 [11]然而,令人吃惊的是,这些星系团根本没有真正在移动,而是我们与那些星系团之间的空间在膨胀。星系原地不动,就像拼字游戏玩家在等待发音。每一个星系都受到邻近星系的重力推挤,我们看到的超快速度是空间扩张的现象。
当然,可能有人会好奇,如果空间仅仅是一片虚无,自己又如何能够扩张?虚无如何能有所作为?即使奉命要探讨所有状态的运动,讨论虚无的赋动现象还是很奇怪。
但空间并非空无一物,事实证明,空间具有属性。虚拟粒子——瞬生瞬死的次原子粒子——突然存在又突然消亡。虚无具备很多内在能量。根据目前的理论,一个空空如也的蛋黄酱罐子所蕴含的能量,足以在一秒内把太平洋蒸发掉。
这个所谓的真空能(vacuum energy)或是零点能(zero-pointenergy),遍及宇宙各处。它看似虚无却充满力量,而且无论它是什么,它都变得越来越强大。
所以,在我们这个类似跳棋游戏的自然运动中,第一步棋不只关乎最快的速度,也关乎虚无的狂暴赋动现象。
宇宙学家最常被问到的问题是:宇宙会扩张成什么?
对许多人来说,这是和运动有关的最令人费解的问题,而科学家都听习惯了。问这样的问题意味着你把宇宙描绘成一颗膨胀的气球,而你正从气球外面向里观看。实际上并不存在这样的视角,宇宙并没有“外沿”。会出现这样的难题,是因为提问者已经设定了一个并不存在的制高点。
相反,人们应该想象这样的画面:从一个星系团内部观察其他星系团。我们看见所有星系团都直接飞离我们而去,星系团的间距都在变大。这是关于宇宙的基本真相,我们也都能想象这样的画面。无论我们认为是星系在移动,还是此处与彼处之间的空间在膨胀,结果都是一样的。我们与远处星系之间的间距正在平稳扩大。 [12]不仅如此,宇宙规模变大的速度本身也在增长。我们置身在一场威力激增、自我延续的爆炸之中。大多数的天文学家都认为,这缘自那种遍及宇宙每一个角落缝隙、反重力的神秘力量:肉眼不可见但必须处理的暗能量。从一开始就让万物向外爆开的,大概便是这种暗能量。大爆炸还在继续,这种感觉很真实。整个宇宙这种野马脱缰式的快速扩张,是周遭其他所有运动的框架。 [13]我们的爆炸宇宙,它也包含小范围收缩、坍陷之物——这是披着黑袍的缥缈幽灵彼此拉锯的产物,而其中大部分的引力作用是暗物质所为,斥力则是暗能量所为。后者赢了这场争夺战。暗能量在60亿年前占了上风,虽然我们一直要到拨号电话换成按键电话的时代才获知这个消息。
就算我们有一天能够拥有光速能力——物理学家向我们保证这是不可能的——我们依然无法到达最远的可见星系,就算我们永不停止地航行下去也办不到。由于扩张宇宙的加速作用,等到我们抵达星系此时此刻的位置——为此得在宇宙飞船里待上单调乏味的300亿年以上——我们和星系之间的距离已经扩大到比以前还要远。与这等徒劳无功相比,推巨石的西西弗斯所受的挫折都不值一提了。
的确,我们这么努力企及的星系,到时连星光都看不到。这趟旅程比漫无目标的旅行更糟糕,因为我们的猎物根本消失得无影无踪。
为了不让我们因为这个消息而觉得压力太大,在这些令人眼花缭乱的极端运动宇宙参数中,我们发现了令人震惊的秘密。凯尔森亲口承诺,等他的数据收集完整,他会揭露其中几个秘密。然而,如我之后将学到的,发掘自然界的运动和速度的真实故事时,不乏一些可笑的谬误、自私自利的野心和不足为外人道的悲剧。
犯错和茫无头绪从很久以前就开始了。公元前1500年左右,用梵文书写而成的印度教古老经文《梨俱吠陀》(Rigveda ),就开始思索“水在下游而流入大海”是怎么一回事了。到了《旧约》被书写的时代,重点不在于运动,而在其反面。《诗篇》第93篇第1节说:“世界坚定,不得动摇。”普遍的假设是地球静止不动,太阳绕着我们转而我们的星球维持不动,这似乎是无可争议的,因为连白痴都看得出来。你可以看到天空中的东西在移动,你也感觉得到我们并没有在动。
通常的见解是,一如日常生活所见,看起来最快的物体一定是最靠近我们的物体(沿着你这条街开过来的车子转弯要比天空中的飞机快)。对古人来说,这意味着月亮一定比星星更靠近我们。月亮每天快速穿梭于星座间,横越相当于自身宽度26倍的距离。这种派定距离的方式——月亮最近而恒星最远——最终被证明是正确的。所以,古人总算设法不会做错每一件事。
到了古希腊时期,晚上绕着我们转的星星被假定是嵌在某种水晶般透明的球体内——这种想法在古人“不正确”的那一栏又加了一格。但光凭2300年前的工具——也就是没有工具——怎么可能有人能够着手推想真相呢?
然而,这正是一位希腊人所获得的成就。我很荣幸能够介绍他出场,因为他是我的第一位偶像。
萨摩斯岛的阿利斯塔克斯(Aristarchus of Samos)生于公元前310年,他思索着天空中这些移动物体并得出正确的结论,比其他人早了18个世纪。数学家暨天文学家阿利斯塔克斯是第一个说太阳是太阳系中心的人。他还说,地球绕太阳轨道运行的同时,也像陀螺一样旋转。这在他同时代的人听来,一定觉得他快疯了。的确,阿利斯塔克斯遭到希腊同胞柏拉图和亚里士多德的驳斥,甚至嘲弄,他的洞见——根据月亮的阴晴圆缺和日月的相对位置而来——未能“流行”起来。就连与阿利斯塔克斯同时期的萨摩斯岛同乡伊比鸠鲁(Epicurus)——没错,就是那个喜欢享乐人生的伊比鸠鲁——都声称太阳在不远处徘徊,而且直径只有0.6米。0.6米!或许,这就是饮酒狂欢的享乐论者不适合研究数学的早期证据吧。 [14]与此同时,怪异的天文事件,像是日月食,加上地震及其他天灾人祸,通常被看成是上帝或诸神之怒的显现。而找出神祇何以如此震怒的原因,以能平息其怒气,便成了人类的职责。更有甚者,30个世纪以来,对生命产生威胁或被认为可能如此的自然事件——包括彗星、行星、日月食、暴风雨和瘟疫——都被当成是诸神之怒的预兆。
预兆解读是一种广受欢迎的活动,而且对那些能言善辩的人来说,还是一门有利可图的生意。希腊文和拉丁文中都没有“火山”这个字眼,这个例子说明了一点:比起人们所揣测的背后原因——神之怒,物理事件有多么不受重视。
与此同时,对理性的希腊人来说,比起“为何万物伊始皆应能动”这个根本问题,什么动、什么不动一直是个次要的课题。这个问题也许看似不可解,但古希腊哲学家留基伯(Leucippus),以及他的学生、生于公元前460年前后的德谟克利特(Democritus),两人率先提出万物皆由名为“原子”(atom)的极微小移动粒子所组成,并推广这一观念。他们说,每一个原子都是无色且不可分割的,而当原子聚集起来形成我们周遭的各种物体时,那些物体的动作就是这些原子运动的结果。
这个原子理论成了自然界赋动现象的一个广受好评的解释。但这个信念持续的时间和现代“猫王没死”的想法一样短,最后撞上了亚里士多德的天才发现。
亚里士多德生于公元前384年的希腊大陆。他多产的著作包罗万象,质量参差不齐,不过有许多谬误是承自他的老师柏拉图。这些谬误有些算小错,比如他相信重物落下的速度比轻物快;有些则是大错,比如他坚称地球是所有运动不动如山的中心。
在那本开山立派的《物理学》(The Physic )一书中,他花了无数页探讨运动的原因与本质。在其中一本分卷(卷二)中,亚里士多德声称运动的开始是因为自然界“期望达到某一目标”。
但重点就在这里。不管是希腊原子论或亚里士多德哲学,自然界的运动皆源自每一个物体内部。这和我们现代思想相反。现在科学断定,除非受到外力作用,否则任何东西动都不能动一下。
亚里士多德的许多观念至今依然可供我们深思。卷四讨论时间作为运动的一项性质,他说,时间不能独立存在。他这句话也意味着时间必须有观察者才能存在。这两种概念都非常符合现代量子理论的想法。时至今日,少有物理学家认为时间除了作为动物的知觉手段之外,还有任何独立的实在。
在《物理学》一书中,亚里士多德通过宇宙及其运动永恒长存的主张,解决了古老的“原动者”(prime mover)之谜。你不需要一个初始促动者来让球开始滚动。一切物质都在运动,且一直在运动,因为运动是它们的本质。
换言之,当我们凝视自然界无休无止的赋动现象,我们看到的是一场无需因果关系的盛大游行庆典:每一个移动物都展示出永恒太一(the eternal One)的鲜活动力。这听起来非常像印度教的不二论(Advaita)或佛教教义。
亚里士多德还说,物质的能量永不消灭。关于这一点,亚里士多德的说法也得到了现代科学的证实。19世纪以来,我们已经接受宇宙总能量永不衰减的事实。
虽然有这一套五花八门、古怪深奥的概念,但对于亚里士多德那本论事物为何移动的皇皇巨著,人们记得最清楚的却是另一个面向:
元素。其实,他这个概念是借自公元前490年前后生于西西里岛的恩培多克勒(Empedocles)。此后2000年间,这个理论基本表明万物皆由土、气、水、火(或其混合)所构成,亚里士多德又加上了一个神圣的第五元素:只能被天上的以太找到(ether)。
亚里士多德说,每一种元素都偏好存在于特定位置,如果可以,就一定会往那儿去。他说,这就是运动的核心缘由。
举例来说,陶土锅用土制成。这种元素本质上属于宇宙中心的领域(也就是地底下),因而渴望回归该处。所以,陶土锅稍受引动便会坠落,因其自然运动就是往下的,那会让它离“家”更近。
水元素也想要往下走。其领域为海,对古人来说,海就是最低领域周围的区域——由泥土、黏土和岩石所组成。这就是为什么组成成分含有很多水的人很容易跌倒撞伤。我们的身体想要坠落。但泡在海里的时候,我们不会坠落,甚至不一定会沉下去,因为我们身体的水元素此刻已然“到家”,在其自然环境中安歇。
另一方面,火属于在我们上方高处的神秘领域,因此其自然运动是往上的。这说明了为什么火和任何与其相关的事物,比如烟,很容易向上升。气元素是另一种居于上方高处的实体,这说明了为什么水中的气泡总是往上冲。
“位置”的概念也由此而生——每一种事物皆有其偏好的位置且尽力要往该处去。亚里士多德说,自然位置有一种潜能(dunamis),也就是产生运动的能力。
以前这些全都说得通。现在依然说得通,即便是错的。亚里士多德有关事物为何移动的概念支配了80代人,一直盛行到文艺复兴时期。观察能力出色如达·芬奇,依然将这种概念奉为典范,经常以暗喻的形式提到四元素。
达·芬奇的著作把当时对于运动的信念说得透彻清楚,尤其是以明快易懂的文字思索了力的本质:
它因暴力而生,因自由而亡。
阻其破坏者一概怒而逐之。
力总是敌视任何想加以控制的人。
它乐于把自己耗尽。
它总是渴望变弱、渴望穷尽自身。
根据这些出自1517年一份达·芬奇手稿的引文来判断,显然他把力——运动的另一个促发因素——看成几乎是有知觉的存在。它有审慎考虑过的目标,就像《蒙娜丽莎》这幅画作,是经过构想和梦想的。
又过了170年——牛顿在《自然哲学的数学原理》(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica )一书中阐明他的三大运动定律——事物如何及为何移动的现代概念,才终于出现。
当然,我们身为自然界连续不停之动作的观察者与参与者,真正的乐趣就在于冷眼旁观这出华丽大戏。而接下来我将学到,即使缓慢呆滞也会给人带来巨大的惊喜。
[1] 斯克鲁奇为狄更斯的小说《圣诞颂歌》中的主角,在圣诞夜一夜之间从吝啬鬼变成了大善人。——译者注
[2] 海耳为美国天文学家,发现了太阳黑子磁场,历任叶凯士天文台(YerkesObservatory)和威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory)台长。沙普利为美国天文学家,推算出太阳系在银河系中的位置。赫特人贾巴为《星球大战》第六集中出现的外星人,长得像有尾巴的巨大蟾蜍,因过于肥胖而行动迟缓。——译者注
[3] 人们把1929年发现宇宙扩张的功劳归于哈勃,却从未有人提到那位藏身幕后的女子。莱维特(Henrietta Leavitt,1868—1921)是20世纪初期杰出的天文学家,在一个女性如此受歧视的时代,她充其量只能在哈佛学院天文台从事低等的“计算”工作,一小时挣30美分。尽管如此,她还是一手发现了许多恒星家族,并且她可以根据恒星所发出的色光确定恒星的绝对亮度。哈勃用她的数据和方法去计算星系距离,从而做出宇宙如气球般膨胀的惊人宣告。而莱维特得到的声誉呢?几乎为零。
[4] 如果宇宙万物同时变大,那会意味着什么?如果你的眼睛、你的身体、光的波长、房间、地球和整个宇宙,在接下来的几秒钟之间突然变大三倍,你有没有可能察觉到任何变化?答案是不可能。这样的变动是不可察觉的。真的,说不定这种情况一直在发生。也许宇宙一直在膨胀又收缩,一分钟前还只有一颗原子大小呢。重点是,“宇宙正在扩张”是没有意义的,除非只有宇宙的某些部分变大,而其他部分维持原状。只有这种情况才有可能察觉到,甚至只有如此,在逻辑上才有意义。的确,这正是现在正在发生的状况。星系及其内含物多多少少算是保持不变的大小,星系团也是如此,只有星系团之间的间距在扩大。
[5] 尽管因光害导致观测条件恶化,威尔逊山天文台至今依然持续运作。
[6] 第一架沃尔特·巴德望远镜(Walter Baade Telescope)于2000年开始观测,第二架兰登·克莱望远镜(Landon Clay Telescope)于2002年开始观测。——译者注
[7] 惊人的超级仪器,口径25米的大麦哲望远镜伦按计划顺利进行,将远远超越地球上所有的望远镜,不过欧洲太空总署正在规划一架稍大一点的望远镜,这样才保有话语权比别人大的资格。大麦哲伦望远镜的第一块镜片已经完成,场址清理也已经完成。整架望远镜的建造预计在2020年完工,地址在智利的拉斯坎帕纳斯山上。
[8] 标准烛光亮度是用已知天体的亮度作为标准与观测天体的亮度做比较,以推算观测天体的距离。——译者注
[9] 美制1品脱相当于0.473升。——译者注
[10] 指凯克天文台两架分别于1993年、1996年启用的全球口径第二大的光学望远镜。——译者注
[11] 你可能认为最远的可见星系看起来会最小,因为它们飘向极远之处。但当它们的光在约130亿年前开始踏上向我们而来的旅程时,宇宙比现在小得多,当时这些星系和我们的间隔其实没有很大。它们当时相对接近,因此看起来比较大。即便从无数个年代之前,它们的影像就开始朝我们而来,穿过不断延伸的空间,使得这趟旅程超现实地越来越长,但那些星系看起来还是一样大。所以,当它们的光到达这儿,这些星系看上去要比如它们此刻那般遥远的物体在逻辑上应有的样子大上许多。
[12] 就我们所能观测的极限,宇宙持续每秒变大10兆立方光年。为了掌握宇宙每秒变大10兆立方光年这个概念,有必要先理解“兆”和“立方光年”是什么。1兆就是一百万个百万。尽管事实上我们不时会碰到这个数字(美国2012年国债为14兆美元),但它还是大得惊人。单单从1数到1兆,以每秒飞快说出5个数字的速度,所需时间相当于从建造金字塔的时代持续至今。立方光年同样是一种会让脑袋呆掉的体积测量概念。你得画一个立方体,每个向度都是1光年。每一边都像600万个太阳排成一排那么长,但别忘了,太阳本身就有地球的100倍宽。事实上,如果有人一秒丢1000个地球进一个立方光年中,并且在大爆炸那一刻就开始丢,到了今天,离填满这个巨大无比的立方体还差得远呢。
[13] 其实,意识或知觉的起源,很可能比大爆炸的根源或暗能量的构成内容更神秘。对于感知怎么可能会从化学化合物或原子碰撞中产生,我们完全摸不着头绪,就连最离谱的乱枪打鸟都猜不到。而暗能量也是名列史上最大谜团之一。
[14] 尽管在接下来的几个世纪里,希腊和罗马学者一再引述阿利斯塔克斯,但对于这位说出我们的世界在动的第一人,依旧可以说是一无所知。早在哥白尼之前将近2000年,只有萨摩斯岛的阿利斯塔克斯主张,地球绕太阳这个较大天体公转的同时,也像陀螺一样自转,比宇宙万物毫无例外地绕着我们转更有道理,即便两种现实所产生的视觉观测结果相同:天体都会横越我们的天空。遗憾的是,他的智慧来的不是时候,亚里士多德的地球中心论已经散播得又远又广。我一时冲动下不惜重金,决定前往萨摩斯岛,去发掘我在美国国内所有书面或在线资料都找不到的阿利斯塔克斯真相。于是在2012年7月,我出发前往那座爱琴海上的大岛。我雇用一位翻译,采访了萨摩斯考古博物馆馆长及其他数十人,想要获取一些新知。
我原本估计这会是很酷的一章,但我错了。尽管这趟漫游启程时充满希望——萨摩斯岛的机场叫作阿利斯塔克斯机场——结果却是连萨摩斯岛都对他的生平、至少是对他青年期之后的生平一无所知。就算他有一本硕果仅存的著作流传下来,也无济于事。破纪录的热季,每天达到40.5摄氏度,这是我的努力所换来的唯一奖赏。最先揭露我们的世界一边自转、一边疾驰穿过太空的阿利斯塔克斯,依然是个谜。而你们的作者,原本期待写出充满启示的一章,最后除了这条脚注之外别无所获。
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