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天文学家们展开了激烈辩论,爱因斯坦错在哪里

日期:2019-07-17编辑作者:澳门新葡8455手机版

原标题:宇宙膨胀定律应该以谁的名字命名? 天文学家们展开了激烈辩论

|程 鹗

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1930年1月10日,英国王家天文学会的例会讨论了哈勃的新发现。正在伦敦访问的德西特应邀介绍了最新进展,他坦白地承认自己的宇宙模型中虽然存在红移,却无法解释这个与距离成正比的规律。爱丁顿觉得当时理论界的情形颇为滑稽:“爱因斯坦的宇宙中有物质没运动,德西特的却有运动而没物质。”(“Einstein's universe contains matter but no motion and de Sitter's contains motion but no matter.”)

在维也纳举行的国际天文学联合会 (IAU) 第 30 次会议上,辩论终于有了结果。在会议上,代表们通过了一项决议,决定将哈勃定律改名为哈勃-勒梅特定律(Hubble-Lemaître Law)。

那时候勒梅特已经证明了德西特的模型并不真的是一个静止的宇宙。因为坐标系的问题,在那个宇宙中任何地点放一个有质量的物体,该物体都会加速向边缘飞去。那便是模型中红移的来源,并非物理实际。因此,爱丁顿以双关语讥讽德西特道:你那模型“没有物质,所以无关紧要”(“as there isn't any matter in it that does not matter.”)

该决议肯定了比利时天文学家乔治·勒梅特 (Georges Lemaitre) 为世界对宇宙膨胀的理解做出的贡献,同样做出贡献的还有美国天文学家爱德文·哈勃 (Edwin hubbb)。

难道就不能有一个既有质量又有运动的宇宙模型吗?爱丁顿近乎绝望地问道。

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那次会议的记录照例发表在学会的通讯上,几个月后传到比利时的勒梅特手中。勒梅特看到后哭笑不得,当即写信给爱丁顿,提醒前导师他在三年前就已经寄送过一篇论文。那篇论文提出的宇宙模型正是既有物质又有运动,并完美地推导出星云的速度距离关系——比哈勃的发现还早了两年!

图丨在比利时的乔治·勒梅特纪念碑(Wikimedia)

爱丁顿收到信大为震惊,立刻翻阅故纸堆,找出了那篇论文。不知道当初是没注意还是没看懂,他对那论文毫无印象。出于歉疚,爱丁顿此后花大功夫补救他的疏忽,宣传他昔日弟子的成就。

与会的大多数 (不是所有) 成员都赞成这项决议,此前的投票被降级为非正式投票,晚些时候的正式表决将通过电子投票进行。这一决议会让国际天文学联合会的所有成员都有投票的机会。

出于爱丁顿的安排,勒梅特1927年那篇法语论文的英文版于1931年3月在王家天文学会月刊上重新发表。这个三年后的版本虽然大致保持了原貌,也有一些改动。勒梅特补充引用了他原来不知道的弗里德曼论文,老老实实地指出他的理论是弗里德曼的进一步推广。但更突出的是,他省略了关于观测数据中星云的速度与距离成正比关系的整个一节。实诚的勒梅特觉得哈勃这时已经发表了更新、更可靠的数据,没有必要再重炒旧饭。

2006 年,国际天文学联合会大会就通过了一项决议,决定将冥王星划归为矮行星。

众多的天文学家只是通过这个英文版才接触到勒梅特的理论。他们不知道有这个删节,因此依旧理所当然地认为哈勃是发现该关系——“哈勃定律”——的第一人。(后期历史学家曾猜测哈勃在翻译过程中插过手以维护他的优先权。这说法并不成立。迟至2018年10月底,国际天文学会全体会员投票,建议将“哈勃定律”正式改名为“哈勃-勒梅特定律”。)

于是更改哈勃定律的名字就出现了这样一个问题:在命名物理定律时,应该以谁的名字命名,以及国际天文学联合会是否应该参与命名决定。

但勒梅特迟到的论文还是有它深刻的影响。作为观测天文学家,哈勃只是从数据中总结了红移的规律。他没有也无力做出进一步的解释。勒梅特正相反,他的规律是从广义相对论中直接推导出来的(然后才找到实际观测数据证实),对数据有一个革命性的诠释:我们看到星云巨大的红移,不是来自星云本身的速度,而是宇宙空间的膨胀。星云只是被动地由所处的空间带着走,就像流动着水面上的浮漂,或者膨胀气球表面上画着的斑点。

膨胀中的宇宙

即使是熟谙相对论的物理学家一时也无法接受如此怪异的观念。在洛杉矶,到哈勃的家里来的不再只是好莱坞的明星。每两星期,一群从威尔逊山和附近加州理工学院来的天文学家、物理学家甚至数学家也会定期聚集,围着一块小黑板抽烟、争论,嘟囔着很多格蕾丝不懂的名词术语。作为主妇,她默默地为他们准备好酒品、饮料和三明治。

宇宙膨胀理论是 20 世纪最令人震惊的发现之一。

这些人中有的认为星云是在不变的空间中做随机运动,只是碰巧速度大的星云现在已经跑得离我们很远,才让我们有越远的星云速度越快的错觉;有人则觉得远方的星光来到我们地球的一路上大概经历了更多的散射干扰、逐渐失去能量才表现出红移……

这里的膨胀意味着,星系之间的距离一般随着时间的推移而增加,而且是均匀增加的。无论你在哪里,朝哪个方向看,都会看到一个正在膨胀的宇宙。

哈勃静静地听着。他无法加入这类理论性的探讨,只是集中注意力试图听到某种可以通过观测数据来确证某个理论是否正确的可能性——那才会是他的用武之地。在内心里,他也无法理解勒梅特的空间膨胀理论。终其一生,他一直倾向于相信他看到的是星云本身——而不是空间——的运动。

当你试着去想象这一理论的时候可能会马上就感到头晕目眩。爱德文·哈勃于 1929 年发表论文阐述了宇宙膨胀理论,他描述了宇宙目前的膨胀速度。于是,哈勃定律以爱德文·哈勃的名字命名。

× × × × ×

但哈勃不是第一个阐述宇宙膨胀理论的人。1927 年,乔治·勒梅特 (Georges Lemaitre) 已经发表了一篇关于宇宙膨胀的文章。他的文章是用法语写的,并在比利时的一家杂志上发表。

1930年11月,爱因斯坦与他的第二任妻子、表姐加堂姐艾尔莎(Elsa Einstein)及秘书、助手一行四人乘坐一艘由一战时的战舰改装的豪华邮轮渡过大西洋来到美国。这是他第二次访问美国。但这次他们只在纽约稍事停留,便继续乘船南下,循通航仅十来年的巴拿马运河进入太平洋,然后又顺海岸北上,于那年12月31日到达圣地亚哥。在长达四小时的盛大欢迎仪式后,爱因斯坦第一次踏足美国西海岸。

澳门新葡8455手机版 ,勒梅特提出了宇宙膨胀的理论基础,并利用天文数据 (与哈勃在 1929 年的文章中使用的数据完全相同) 来推断宇宙膨胀的速度。

他是应加州理工学院的邀请来这里进行为期两个月的学术访问。除了阳光、海滩,这里有他慕名的物理学家迈克尔逊和密里根。自然,他也对邻近威尔逊山上正在颠覆他的宇宙论的哈勃满怀好奇。

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(来源:NASA, ESA)

1931年,爱因斯坦参观威尔逊山天文台图书馆。左一、左二分别为胡马森和哈勃;左四是迈克尔逊。

1928 年, 美国数学家和物理学家 Howard Robertson 也在哲学杂志和科学期刊发表了一篇文章, 他也用勒梅特 (一年前) 和哈勃 (一年后) 用过的数据推导出了宇宙膨胀公式,并推断出了膨胀速度。

爱因斯坦当时也才51岁,有了为人熟悉的那一头飘逸的乱发,只是还没有完全变白。但他已经是世界上首屈一指的物理学家、科学家,大众媒体追逐的明星。他观看了当地的新年玫瑰游行,欣赏了在德国被禁的反战电影《西线无战事》(All Quiet on the Western Front),还出席了卓别林《城市之光》(City Lights)的首映式。当他们穿着正式的燕尾礼服,在观众掌声中一起步入影院时,卓别林感慨道,“他们欢呼我是因为他们明白我;他们欢呼你,却是因为没有人能懂你。”

然而 Robertson 不知道勒梅特的工作成果。鉴于勒梅特的论文发表于比利时的《世界报》,而且是用法语发表的,有人认为他的非凡发现在当时被天文学界忽视了。

哈勃的夫人格蕾丝义不容辞地担任起接待爱因斯坦的职责。一次她开车带爱因斯坦出门时,爱因斯坦专门对她夸道,“你丈夫的工作非常漂亮,他很能干。”

但是哈勃在 1929 年发表的研究结果很可能是受到了勒梅特的影响。1928 年 7 月,勒梅特和哈勃在莱顿举行的国际天文学联合会第三次会议上相遇。在会议中他们讨论了能表明宇宙膨胀的天文学证据。

1931年1月29日,爱因斯坦与哈勃一起乘车登上威尔逊山。好莱坞的新生代导演卡普拉(Frank Capra)亲自掌镜,为他们全程拍摄纪录片。在山上,爱因斯坦像孩子一般对各个庞大的望远镜爱不释手、流连忘返。他们最后才来到胡克望远镜跟前。当工作人员无比自豪地介绍这个大家伙如何能发现宇宙的大小和状态时,倒是艾尔莎淡定地评论:我丈夫只需要一张旧信封的背面就够了。

成败在翻译

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1930 年 1 月,在伦敦皇家天文学会的会议上,英国天文学家、物理学家和数学家 Arthur Eddington 提出了宇宙膨胀的问题,并提出还没有理论来解释这一现象。

1931年,爱因斯坦在威尔逊天文台观赏胡克望远镜。哈勃和天文台台长亚当斯(Walter Adams)陪同。

当勒梅特知道这件事后,他写信给 Eddington,提醒他自己 1927 年写过的论文,他当时为宇宙膨胀奠定了理论基础。于是 Eddington 邀请勒梅特在 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 上重新发表这篇论文的翻译版。

几天后,爱因斯坦又在洛杉矶为当地的天文学家、物理学家举办了一个学术讲座。他开门见山地承认,基于哈勃等人的发现,宇宙大小不恒定,的确是在膨胀。他解释说,14年前他在广义相对论场方程中引进了那个“宇宙常数”项只有一个目的,就是要找一个恒定不变的宇宙解。现在看来是画蛇添足,完全没有必要。

而与此同时,哈勃和美国天文学家 Milton Humason 在 Astrophysical Journal 上发表了关于宇宙膨胀的新成果。这次成果的样本更大,涉及的区域比以前要广十倍以上。

于是,哈勃在媒体上又获得一个桂冠:“让爱因斯坦改变了主意的人”。

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