勒梅特的宇宙

宇宙的演化可以比作刚刚放完的烟花：红色的轨迹、灰烬和余烟还残留着，我们站在已经完全冷却的残渣上，目送着恒星们逐渐暗淡下去，并试图追忆它们逝去的荣光。

——乔治·勒梅特（Georges Lemaître）［26］

1922年，乔治·勒梅特因在一战中立功而被授予军功十字勋章，随后又被迈松·圣龙博神学院任命为天主教神父。战争中断了他的学习，致使他在1920年才从比利时天主教鲁汶大学数学系毕业（入学时他学的是工程学）。1923至1924年，他因得到一笔奖学金资助去了剑桥大学圣埃德蒙学院，［27］跟随亚瑟·爱丁顿在剑桥大学天文台学习。爱丁顿在当时算是全世界最知名的天体物理学家（之一），有诸多重大发现——理解了恒星的工作原理、提出了银河系中恒星运动的理论；1919年带领一支著名的远征队去了普林西比岛——一个位于西非的葡属小岛；通过在日食时观察太阳来验证爱因斯坦的广义相对论让光线弯曲的断言。他还是首个用英语撰文解释广义相对论的人。

爱丁顿的数学水平堪称传奇——他只用了很短的时间就深刻理解了爱因斯坦的广义相对论。此外，身为英国皇家天文学会秘书和虔诚的贵格会教徒（基督教新教中的一派，倡导和平主义）的他没有参加一战，因而在战争中为促进整个欧洲科学共同体之间的联系起到了很积极的作用。1917年，坚决反对服兵役的他差点被全国人民视为耻辱，甚至还差点被关进监狱，但当时的皇家天文学家弗兰克·戴森爵士（Sir Frank Dyson）介入此事，他通过自己与海军部的密切关系达成了一项协议，使他们同意推迟爱丁顿的兵役，条件是，如果在1919年5月29日那天战争已经结束，爱丁顿要领导两支海军远征队中的一支去海外观测日食，以检验爱因斯坦的广义相对论。

在剑桥做访问学生的这一年里，勒梅特没有跟随爱丁顿学习宇宙学，而是借此机会深刻理解了广义相对论。离开剑桥后，勒梅特去了美国哈佛天文台跟随著名美国天文学家哈洛·沙普利攻读博士，并于1927年7月在隔壁麻省理工学院获得了博士学位（哈佛天文台直到1929年才有了授予博士学位的资格）。爱丁顿对勒梅特的聪明才智和数学才华大为赞赏，在写给其他科学家的推荐信中极力荐举他，而勒梅特本人也热爱社交、与人为善，在学术之旅的每一站都同身边人处得很好，这无疑又促进了学术上的合作和思想上的碰撞。

勒梅特读过爱因斯坦关于静态宇宙模型的论文，后来，在波士顿的日子里，他对红移问题理解得越来越透彻，不过无论是他还是爱丁顿都没看到过弗里德曼的工作。1927年，勒梅特对爱因斯坦理论所预言的最简单的宇宙已经了如指掌，但他得出的宇宙模型比爱因斯坦、德西特和弗里德曼的更进一步，他的宇宙模型引入了宇宙包含显著辐射压力、恒星和星系等的可能性，他还试图利用膨胀宇宙的多普勒效应来解释斯里弗最先看到的红移。

勒梅特在1927年写了一篇出色的论文，最初是用法语写的，发表在一个不知名的比利时杂志上。这篇论文首次将爱因斯坦方程的膨胀宇宙解与物理诠释，以及将遥远恒星的红移当作多普勒效应来计算这三者结合了起来。［28］勒梅特的这篇文章脉络清晰（正如他的所有工作一样），绝不使用任何不必要的数学，却把握住了所有在物理学上必不可少的重点。［29］他认为宇宙既没有中心，也没有边缘，它可以是有限的，也可以是无限的，而爱因斯坦方程可以通过能量守恒和热力学简明地诠释出来。他甚至根据42个星系的红移观测数据和这些星系离地球的距离计算出来了宇宙如今的膨胀速率，这是人类历史上首次对哈勃常数（H）进行测量。最后他测量出的宇宙膨胀速率为625千米每百万秒差距，与埃德温·哈勃（Edwin Hubble）两年后得到的结果相似。他计算了星系退行速度（v）与距离（r）［30］的比值，利用多普勒效应首次推导出了哈勃定律（v = Hr）的形式。

哈勃于1929年发表了他自己发现的这条定律，接下来的1930年，德西特分析了哈勃的数据并跟进了研究（这让哈勃很恼怒，因为他觉得这些数据都是属于自己的，他已经把这些数据公开发表出来了，德西特也援引了他的论文）。哈勃从未支持过对膨胀宇宙进行物理学解读，也没有利用他的观测结果支持任何一个理论模型，他只是把自己计算出来的星系速度称作一个“表观速度”，将解释表观速度的工作留给别人，［31］而德西特和勒梅特则充满热情地接管了膨胀宇宙模型。

勒梅特的工作进一步阐释了爱因斯坦的静态宇宙和德西特的指数膨胀虚空宇宙。勒梅特的研究表明，爱因斯坦的静态宇宙是不稳定的，如果宇宙的初始态是静态，那么哪怕其中产生了一点点的扰动或运动，都会让宇宙进入逐渐膨胀或逐渐收缩的状态（见图3.6）。打个形象的比方，就像一根针以针尖接触桌面并竖在桌面上平衡的状态一样。

这一发现并没有特别吸引到爱因斯坦，但它成了勒梅特的宇宙模型逐渐为人所知的契机。1930年，勒梅特曾经的导师爱丁顿开始怀疑爱因斯坦的宇宙对小的变化不稳定，他往爱因斯坦的解中加入小的密度无规律项，发现它们会逐渐增大。爱丁顿忘记了勒梅特此前的工作，就将自己的这项研究发表了。［32］但随后，爱丁顿收到了曾经的学生勒梅特的来信，指出自己在1927年的那篇论文中就阐述了这一点（尽管是以另一种方式）。爱丁顿迅速给《自然》杂志写了封信，向他们介绍了勒梅特那份被遗忘了的工作，并且立即着手组织翻译那篇论文，最后将它发表在1931年的《英国皇家天文学会月报》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上，［33］随后，勒梅特一夜成名，成了当时最知名的理论宇宙学家。1930年10月，勒梅特在一次会议中首次了解了弗里德曼早先的数学工作，1931年，他在自己论文的英译版中引用了弗里德曼的工作。

爱因斯坦去世两年后的1957年，勒梅特在一次采访中谈到了他与爱因斯坦的相遇。他透露，在1927年的索尔维会议期间，爱因斯坦在与他的私下谈话中赞赏了他论文中优雅的数学推导，并告诉了他弗里德曼早先的工作，但爱因斯坦认为这些非静态的宇宙从物理角度看是“令人厌恶的”。［34］勒梅特认为，那时爱因斯坦还没有真正意识到关于星系退行的天文观测对膨胀宇宙解来说意味着什么。不过，爱因斯坦在1933年听了勒梅特在美国帕萨迪那做的报告，他发现勒梅特的方法极其简洁，并将勒梅特描述的有着炽热开端、不断膨胀的宇宙称为对宇宙“最美丽的解释”。

勒梅特的宇宙与爱丁顿在研究爱因斯坦静态宇宙不稳定时发现的宇宙相似，因而这一模型也被称为爱丁顿—勒梅特宇宙（图3.8），它始于无穷远的过去，开始是静态，随后开始逐渐膨胀，就在有限的一段时间之前，膨胀逐渐变得可见了。［35］如今它仍旧继续膨胀，膨胀速度越来越快，直到最后变成像德西特的指数宇宙那样。该模型考虑了爱因斯坦Λ斥力的作用，其空间曲率为正，是有限的，且会永远膨胀下去。

该宇宙年龄无穷大，意味着它没有开端，不过不管是爱丁顿还是勒梅特都没有觉得这是个值得担心的问题。爱丁顿甚至还把它看作一个自然而然的特征，认为它“有无穷的时间来开始”，因为“任何事情在开始的时候都无须着急”。［36］他认为，弗里德曼那种突然诞生的宇宙才比较“让人反感”，就像烟花一样，不如他自己温和的宇宙模型符合我们追求安定的直觉感知。爱丁顿也认为，尽管宇宙过去的历史有无限长的时间，但实际上，有事情发生的历史是有限的，在无穷远的过去，宇宙接近完全的热力学平衡状态，因而无法产生显著的熵的积累。因此，他认为，这种类型的宇宙在无穷久远的历史中永远不会因熵的大量积累而进入热寂状态，它在几何学上已经很老了，但在热力学上还很年轻。

你可能认为勒梅特的宗教信仰会让他更偏向在时间上有开端的宇宙模型，然而事实并不是这样。他的科学和宗教观念泾渭分明，从不产生联系或冲突。对他而言，宗教和科学是世界的两种平行但完全不同的诠释方式，圣经不可能提供科学指导，同理，试图通过科学来寻求宗教指导就如同想从二项式定理里寻找天主教教义一样荒诞。［37］后来，当他成了梵蒂冈教皇科学院院长后，他把自己关于膨胀宇宙的理论描述如下：

就我所见，这样的理论完全不牵扯任何形而上学或宗教的问题。它可以让唯物主义者自由地否认任何超验的存在……但对宗教信徒而言，它也排除了任何接近神的可能性……正如以赛亚所说，神是自隐的，他甚至隐于宇宙的开端。

不过，勒梅特还是更偏爱他在1927年的论文中发现的那个宇宙。这个宇宙有一个确定的开端，从一种炽热、致密的状态开始，宇宙首先减速膨胀，随后逐渐转变为加速膨胀，此时起排斥作用的宇宙学常数超越牛顿的万有引力成了主导，随后宇宙继续以接近指数的方式膨胀，就像德西特的宇宙那样（图3.10）。

勒梅特的宇宙曲率为正，宇宙学常数也是正的——和爱因斯坦的静态宇宙一样，但斥力比爱因斯坦精心挑选的特殊值稍大，因此它一直在膨胀。

后来的事实证明了勒梅特的宇宙是最接近我们所在宇宙的模型，它的年龄为137亿年，大概在45亿年前就开始从减速膨胀转为加速膨胀。

勒梅特对宇宙的详细分析，促使宇宙学家开始研究在任何位置和方向上膨胀速度都相同的一切简单宇宙模型。可以改变的量只有两个：空间曲率可以为正、为负或为零（此时对应欧几里得空间），以及爱因斯坦所引入的宇宙学常数可以是排斥性（正）的、吸引性（负）的，或者为零。图3.11就列出了所有可能得到的宇宙，这个表格在1967年由爱德华· 哈里森（Edward Harrison）首次绘制出来［38］。