平行宇宙―從測量的角度

（9）平行宇宙―從測量的角度 上

1.消失的視差

在4、5節，我們回顧了一些古代的測量和繪圖方法。人們從對月亮和太陽的持續觀測，建立了曆法、授時系統；通過繩子和日影，量測日常物體以及諸如子午線之類的長度；指南針和羅盤，利用地球磁場，為航海家和旅人指明方向。在4D時空中，時間、長度和方向是最基本的測量元素。然而，有個問題一直困擾著古代智者。仰望星空、星光燦爛，那麼：恆星到底有多遠？

藉助雙目視覺和三角測量（第3節），可以得到物體遠近與視差的一一對應關係。把食指豎在眼前10公分處，快速交替閉合左右眼，食指出現的位置差異，反映了10公分處的視差（相對於你的雙眼間距，即眼基線，約65mm）。逐漸把手指遠離身體，就會發現視差在減小。如果食指出現在超遠處，那麼你的眼睛就無法辨別這個視差和物距了。聰明的古代人知道移動腳步，從兩個不同的位置觀測同一個物體，這相當於增加了眼基線和交會角。例如，現代的你在一列火車上，天上停著一架飛碟。在某個時刻正視它。一分鐘後，假定火車行駛了5公里，然後你偏過頭看著它。根據你偏頭的角度以及5公里的基線長，就能得到飛碟到你的距離。然而，這並不適用於恆星。即使如夸父追日般狂奔，你所贏得的基線相對於恆星的距離而言如此微不足道――恆星沒有視差！

事實上，古希臘的天文學相當先進，他們早就認識到：地球繞著太陽轉。但錯誤地認為：所有恆星位於某個遙遠的恆星天球上。測量宇宙和恆星的第一步來自阿基米德。這位著名的物理學家、數學家、測量和工程師，藉助一些假設和幾何學，得出恆星距離地球大約4.5億公里，宇宙寬度為18億公里。雖然還沒邁出太陽系，但有一點值得注意。在相隔6個月的時刻，你將擁有地球上最大的視差：2倍的天文單位AU（天文單位定義為日地距離，現在的精確值約為1.5億公里）。然而，這個距離依然遠遠不夠。要知道，最近的恆星遠在光年之外，而一光年約等於6萬個AU。人眼無法辨識如此微小的張角。

突破來自新的測量工具：望遠鏡。1608年，荷蘭的商人Lippershey製作了世界上第一台望遠鏡，能夠把物體放大3倍；一年後，伽利略改良到放大30倍。從某種意義上，望遠鏡的發明促成天文學真正從測量學中分離出來。又過了一個世紀，望遠鏡的技術日益成熟。年輕的天文學家貝塞爾（也是那個數學家貝塞爾）在利林塔爾天文台，利用6個月的繞日基線和一架精密的望遠鏡，得到了恆星天鵝座61的距離，10.5光年。與如今的11.4光年相比，算是相當精準了。這是第一次，人類精確地得出恆星的距離。雖然在50年前，根據另一位科學家赫歇爾的開創性貢獻（也是由於望遠鏡），人們已經推翻了古希臘的「恆星天球」模型。不過，他的測量精度和主觀前提假設不太符合「測量」的標準。

數光年外的恆星，可以通過經典視差法測量。但若恆星遠在百萬甚至10億光年之外，視差法就毫無作用了。要靠新的「量天尺」登場了。

2.標準燭光

試想這麼一個場景。在溫馨的月夜，你的情人捧著生日蛋糕向你走來。生日蠟燭的亮度取決於到你的距離。假定在20米的時候是1，在10米的時候就是9。亮度與引力一樣，在三維空間遵循平方反比定律。再假定生日蠟燭的標準亮度已知，那麼，就可以反推斷出情人到你的距離。現在問題歸結為：是否存在某種特殊的恆星，具有某種型號的蠟燭那樣固定不變的標準亮度？

造父變星成為一類最早發現的標準燭光絕非巧合。試想：仰望星空時，如果某個傢伙的亮度居然不停的周期性變化，對於絕大多數表情僵硬的同類，自然是明顯的靶子。20世紀初，女科學家勒維特在哈佛大學天文台做測量工作。當時相機已經發明，因此測量和計算都在像片底板上進行。她發現了造父變星的周期變化速率與其亮度直接相關。再輔以大量近距離造父變星與視差法測量的相互印證，使得造父變星成為測度宇宙距離的主力武器。「造父」二字並沒有實際意義，它指第一顆變星對應的中文名。變星呈數天到數月的周期性脈動，取決於引力與星核反應兩者之間的角力：引力佔上風時，恆星收縮；核反應劇烈時，恆星膨脹。相對而言，太陽顯得溫順得多。

然而，變星作為標準燭光也有許多的問題。例如，造父變星本身就有幾種不同的類別，每種類別亮度不一樣，導致測量誤差。此外，在更遙遠的星系，望遠鏡能看到最亮的恆星；變星卻因為自身不夠亮而無法識別。這時，有個叫哈勃的傢伙跳了出來。

1897年，8歲的哈勃收到祖父贈送的一架望遠鏡作為生日禮物，奠定了與天文的一世情緣。父親卻完全沒有意識到兒子的在天文方面的潛能，讓哈勃專心去學法律。作為一名平庸的法律學生，哈勃把心思都撲在天文上。1923年，哈勃在仙女座星雲中發現一顆90萬光年的造父變星，刷新了宇宙的大小，改變了人們的宇宙觀。因為當時的普遍認識是：「宇宙就是10萬光年的銀河系」。既然系外有系，問題接踵而來。仙女座是距離銀河最近的星系，因此還能找到變星。其他更遙遠的星系怎麼測量？哈勃提出了一個大膽的假設：在每個星系中，最明亮的恆星亮度相同。由此我們就能推算獵戶座、英仙座等到地球的大致距離。雖然這個假設不是那麼靠譜，但是它在估算遙遠星系的距離上依然有所建樹，並不斷刷新著宇宙的大小。而更精密的測量則要依賴一個更完善的宇宙學模型。

3.測量宇宙年齡

宇宙永恆不變，時間均勻流逝。這是直到上世紀初的科學界的普遍認識。連愛因斯坦也在他的廣義相對論方程中加入一個宇宙學常數λ，阻止宇宙膨脹或收縮。那麼，在一個穩恆態宇宙中，如何測量宇宙存在的時間？天文學界一度非常尷尬，幾乎沒有拿得出手的觀測證據。相對而言，地學界對地球年齡的測量則十分明確。藉助鈾等自然物質的放射性衰變和同位素測量，地球已經存在45億年。

穩恆態宇宙模型的錯誤導致宇宙年齡測量的難題；推翻這一模型的動力來自於哈勃直接觀測到的紅移現象。假定一輛列車鳴笛呼嘯而過。你會聽到笛聲逐漸變急，列車離去時，笛聲漸緩。這是聲波的頻率在相對運動時發生的變化。電磁波也一樣。發光的恆星遠離你時，其相對頻率降低，向著紅波段偏移；如果靠近你，其頻率升高，向著藍波段偏移。那麼問題是：星星看上去不都長的一個樣嗎？哈勃是怎麼發現紅移的？這就引出另一位高人了。

1664年，劍橋大學在讀生牛頓開始了兩年假期――瘟疫席捲劍橋。這段閑暇中，他不僅思考了經典力學和萬有引力，探索了微積分，還在光學上成果頗豐。他在暗室擺弄他買的玩具稜鏡，第一次證明了白光是由彩虹色混合而成。根據這一點，他還想到：蘋果樹之所以是綠色，因為其他顏色的光被樹葉吸收了。當然，那個時代還沒有量子物理這個理論依據。其背後的原理是：物體自身帶有電子，電子吸收了光的能量；而且，組成物體的特定元素，只吸收特定能量的光。樹葉顯然對綠光沒興趣。現在把這個原理應用到恆星上。在恆星內部，高溫使得各個波段連續存在，就像太陽一樣；然而，恆星外圍的大氣由某些特定元素構成，這些光子在穿過恆星大氣、飛向我們的眼睛或望遠鏡時，將被這些元素吸收，因而在連續的光譜曲線上留下條條黑線。檢查黑線的設備叫做分光鏡，就是牛頓用的那種；現代的分光鏡稱為成像光譜儀，可檢查非常精密的光譜段。光譜儀最開始被用來分析太陽的組分，並發現太陽中最重的元素是鐵。奇妙的是，人類身體里卻有比鐵更重的元素。由此推斷，我們不但是恆星的孩子，還是超新星之子。超新星爆發具有更高的能量，製造更重的元素，爆發的那一瞬間將照亮整個宇宙。人類是如此榮幸，如此深得厚愛。

（光譜儀是可見光在電磁波譜曲線上的延伸；並能將波譜切成細細的條條，比如在可見光區域就能分出數百個波段。結合衛星技術，光譜儀促成了遙感科學的誕生。如果說：天文學關注恆星和宇宙視角，計算機科學關注人類視角；那麼遙感，則關注二者之間的地球和近外太空視角。正如望遠鏡促成天文從測量學中獨立出來，如今，遙感的豐富內涵遠遠超越了測量，並從測繪中逐漸脫離。我們正在為申請遙感一級學科而努力。）

以上奠定了哈勃發現宇宙尺度紅移的理論基礎。恆星的黑線就像指紋。如果光發生了紅移或藍移，那麼黑線的位置在標準光譜曲線上就會產生偏移。偏移量的大小，決定了恆星與我們的相對速度。雖然以前已經有學者發現了個別恆星的紅移或藍移，但只有哈勃有自信「拿下宇宙」。藉助大量觀測，不久他就提出了哈勃定律：星系距離翻一番，退行速度翻一番。穩恆態宇宙模型被擊垮了，宇宙確確實實在膨脹。以霍伊爾為代表的穩恆派的掙扎無濟於事。愛因斯坦宣稱：加入宇宙學常數是他一生最大的錯誤；愛丁頓也倒戈相向，全力支持膨脹的宇宙和大爆炸學說；並根據逆向退行速度計算了宇宙的年齡：20億年。宇宙比地球年輕？愛丁頓的巨大計算誤差隨著觀測技術的進步和大爆炸學說的完善而得到持續修正。

4.永恆暴漲下的平行宇宙

早在哈勃的觀測之前，物理學家弗里德曼根據相對論計算得到：宇宙不是在膨脹就是在收縮。1927年，神學家兼宇宙學家勒梅特提出，如果宇宙在膨脹，那麼它早期就是一枚原始宇宙蛋，或者一個原生原子。他的計算同樣基於相對論，但愛因斯坦當時評價說：計算正確，物理上令人生厭。隨後哈勃的觀測成為支持大爆炸的第一份有力證據。第二份待驗證的證據來自另一位大爆炸奠基人伽莫夫。在伽莫夫的宇宙中，大爆炸發生後宇宙中充滿等離子體，隨機吸收和發射光子，宇宙就像一鍋粥；直到30萬年後，電子和離子結合生成原子，光不再被阻撓，宇宙變透明了。在等離子變成氣體的瞬間，宇宙間的第一道光一直會存在到今天。為什麼呢，因為宇宙總體來說是空蕩蕩的，只有極少量的光被吸收；絕大多數的光會均勻分布在宇宙中，隨著空間膨脹而產生紅移、損失能量。伽莫夫等人的計算表明：這些原初光現在的溫度大概是5開爾文。直接的觀測證據要等到1965年。威爾遜和彭齊亞斯在一台無線電接收機中發現了某種溫度3開爾文的雜訊。他們非常討厭。一度懷疑是鴿子在搗鬼。後來，與另外一個團隊溝通，他們才發現自己撿到寶了：不但發現了大爆炸的直接證據，而且收穫了諾貝爾獎。

下一個出場的是阿蘭?古斯。雖然大爆炸已將穩恆宇宙打翻在地，但是有個問題一直無法解釋：宇宙為何如此平坦？在宇宙開端的30萬年，我們可以設想：由於引力，物質的分布是不均勻的。因此，物質多的地方，光就會被吸收得多；而物質少的地方，就有更多的光留下來。這就導致：3K的宇宙背景輻射理論上是不均勻的。古斯提出了暴漲理論。在宇宙誕生極短的時間內，經歷了一場指數級的暴漲，在10^-35秒內從一粒原子一下子吹成1個氣球。遠超光速的暴漲把一切都被抹平了，連引力都沒反應過來。1989年，COBE衛星帶了了宇宙背景輻射天圖；2001年，更加精確的WMAP對天圖進一步優化。這些觀測都和暴漲理論相當吻合。將這些觀測和廣義相對論結合，再加入精確的哈勃常數，以及暗物質、暗能量等奇怪的調料，目前的最好結論是：宇宙存在了137億年，宇宙大約是400億光年的一個光球。

約從2000年開始，平行宇宙（多重宇宙）的概念不再是科幻小說的噱頭；在證據的累積和嚴密的推理下，名號響亮的物理學家和宇宙學家們不再遮遮掩掩，開始鼓吹平行宇宙。最容易被理解的平行宇宙，就是天文學的暴漲宇宙。在此理論下，「我們的」宇宙半徑是400億光年。在400億光年之外，本宇宙的光從未到達。仔細思考一下，「400億光年外空無一物」這個論斷特別不靠譜、特別自大。更好的假設是：充滿了與我們的宇宙相仿的元素和結構。這些宇宙與我們的宇宙在空間上相鄰，構成第一層平行宇宙。此外，多數科學家相信第一層平行宇宙是無窮的。你呢？相信無窮，意味著你要相信：有無數個和地球一樣的星球，以及無窮多個你。過著和你完全相同的生活、或者相差彷彿。換句話說，只要不違背物理定律，任何一種可能性都會在一個無窮的宇宙中實現：德尼特人打敗智人，荊軻成功刺殺嬴政，希特勒統治全球，牛頓沒被蘋果砸出火花。

第二層平行宇宙要複雜一些。把暴漲和大爆炸發生的次序交換一下更容易理解。首先，暴漲的一個先進品種叫做：永恆暴漲理論。永恆暴漲意味指：有個完全未知的事物，姑且稱為「暴漲場」，或者不精確地比喻作宇宙的虛無搖籃，在某個不知所謂的「暴漲子」的作用下，處於永恆的劇烈擴張中。突然，某個區域停止暴漲，並發生一場大爆炸。爆炸導致又一個第一層宇宙形成了。由於暴漲永遠快於大爆炸，所以在第二層平行宇宙中，第一層平行宇宙永遠無法在空間上彼此接近。打個比方，想像永恆暴漲的潮水，不時泛起一個新的宇宙泡泡。雖然泡泡也在長大，但永遠趕不上母體的生長速度。

大爆炸和永恆暴漲只是一門與觀測符合良好的「學說」或「假說」，並且滿身補丁。倔強的霍伊爾代表少數派持續與正統的大爆炸學說抗爭著，在2001年，他去世前一年，寫了一本書概括了大爆炸的困境。其中的一些關鍵問題目前依然是大爆炸無法面對的。

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