——《宇宙之書》讀書筆記之二，華萊士、愛因斯坦和德希特的宇宙

文：貝貝

在《宇宙之書》的封底上，中科院國家天文臺宇宙暗物質暗能量組首席研究員

陳學雷

先生如是介紹，“

無論是初次接觸宇宙學的人，還是對之有一定了解甚至從事專業研究的人，都可以從閱讀此書中得到一些樂趣。

”

的的確確，書中對各位大神的宇宙模型深入淺出的描述，使我的心中一直興奮不已。今天繼續與大家分享。您可以泡一杯茶，輕輕鬆鬆地看一會。

一、華萊士的宇宙

說到華萊士先生，我的思緒一開始就不由得跑偏了，請允許我先跑偏一下。

不知道大家有沒有看過

巖井俊二所著的《華萊士人魚》

？如果沒有看的話，強烈推薦閱讀，這本小說寫得十分精彩，是我所看過的有關人魚的最精彩的故事。內容就不劇透了，只是在這裡會想到它的原因，正是書中的主角之一——華萊士先生，不偏不倚正是我們現在要說的華萊士（當然，小說只是借用了他的身份，至於有沒有那回事，我想基本是小說演繹了）。

華萊士先生不僅是一位生物學家，他更是一位博學多才的科學家。

圖片：華萊士

他生在19世紀，最重要的事蹟大概要數發現生命在自然選擇的過程中會發生演化（evolution）。可惜的是，他沒有簡單地先把自己的想法發表出來，而是寫信告訴了達爾文。後來華萊士和達爾文的自然選擇理論同時公佈於世。（注：見書P37）接下來的事大家都知道了。人們記住了達爾文，卻很少有人知道華萊士。

華萊士興趣廣泛，他對物理、天文、地球科學都很感興趣，在《

人類在宇宙中的位置

》一書中，

他廣泛研究了地球成為宜居之地的原因以及從宇宙的狀態可以得出的哲學結論。

（注：見書P37）

當讀到書中引用的華萊士先生對宇宙廣袤尺寸以及宇宙結構的解釋時，我的內心十分激動，正如巴羅先生所做的那樣，在這裡我也將把這段話完全摘錄下來，讓你們和我一同感受華萊士先生的思想之美：

“起初，

原始宇宙核心部分

瀰漫的物質緩慢地運動著，逐漸會聚整合巨大質量的天體。但一段時間之後，會有物質以極高的速度，從

周邊區域

穩步地、均勻地流進來，補充物質以產生和維持像我們的太陽那樣的高溫，並足以延續生命持續發展所需的漫長時間。”

（注：見書P39）

“對生命這個演化的最終產物來說，

原始宇宙瀰漫的物質的巨大質量和體積有著極為重要的意義，

因為如果不是這樣，中心區域就會相對緩慢而寒冷，不足以持續產生必要的熱量；同時，到目前為止佔有更大比重的、

聚集在銀河巨大的旋轉環中的大部分物質也同樣重要

，

可以防止有物質過多過快地流入中心區域

……對於那些恆星周邊的行星來說，

如果它們的物質演化過快或過慢，就不曾有或不會有足夠的時間讓生命得以發展。

”

（注：見書P39）

“

我們可以隱約看到恆星宇宙的所有重大特性都與生命的成功發展有關係。

這包括，廣袤的空間、所形成的

銀河大圓環

的形態，以及我們的位置比較接近它的中心但又不是完全落在中心上。”同時他也發現，

物質流入中心，並將引力勢能轉化為熱能的過程是不連貫的，先是流入、加熱，然後會冷卻一段時期。

（注：見書P39）

華萊士先生的很多思想都閃耀著光芒，正如我們現在所觀測到的，

大型星系中心的超大質量黑洞並不會一直處於活躍期或一直處於休眠期，而是兩種狀態互動出現。

華萊士先生在科技並不怎麼發達的19世紀，在觀測手段還比較落後的19世紀，是怎樣想到這樣的洞見的呢？

二、愛因斯坦的宇宙

愛因斯坦提出的

廣義相對論

是人類思想最偉大的創造之一。

在他的理論中，空間有很強的可塑性，就像一大片橡膠板，隨著上面的物質和運動的不同，

橡膠板

的形狀也在發生變化。用美國物理學家約翰

惠勒的經典描述就是，“物質告訴空間如何彎曲，空間告訴物質如何運動。”

圖片：大質量的物體使得空間發生凹陷

物質的質量會把空間壓彎，於是有大量物質的地方，空間的曲率就很大；離物質越遠的地方，空間就越平坦。

當物體在空間的曲面上從一點向另一點運動時，會遵循最短路徑——曲面上的“直線”。

大質量的物質會使空間產生嚴重的凹陷，於是物體在其附近運動時，它的運動軌跡也會隨著空間的形變而發生變化。

簡單地說，愛因斯坦的方程組描述的是，

一個決定曲面幾何如何變化的純數學定理，等價於一組在所有自然過程中能量和動量都守恆的物理定律。

（注：見書P59）

奇妙的是，愛因斯坦的方程組是一個充滿太多可能性的方程組，換句話說，方程組的每一個解都表示一個可能的宇宙。

這使得當時的愛因斯坦非常苦惱，他認為似乎只有一個宇宙，於是讓他苦苦掙扎的問題就是，如何剔除其他的宇宙？

但是，在這裡我和當時的愛因斯坦持一些相左的觀點，我認為他的方程最偉大之處，就在於這種“太多的可能性”。每一個解都表示一個可能的宇宙，似乎和真理靠的更近一些。

偉大的愛因斯坦也有思維的侷限，在寫出方程組的當時，他認為空間作為恆星運動的場所必須是靜止的、固定的。換句話說，

愛因斯坦的宇宙是靜態的，不會膨脹，也不會收縮。

1917

年，愛因斯坦在考慮他的廣義相對論的過程中，在方程中加入了一個符號——Λ，這個Λ是反作用於萬有引力的（相對於一種排斥力）

，按照愛因斯坦對

靜態宇宙

的看法，必須要存在某種東西。宇宙之所以充滿透過引力彼此互相吸引的物質而不會崩塌，關鍵就在這裡。

後來，哈勃透過觀測星系的運動發現我們身處的宇宙正在膨脹，愛因斯坦就認為宇宙不再需要Λ了，並稱這個

宇宙常數

是他“最大的失誤”。

三、德希特的宇宙

德希特是著名的荷蘭天文學家，他對愛因斯坦的方程組十分感興趣，並透過這個方程組，得出了一個新的解。

圖片：德希特

德希特

保留了方程組中的宇宙學常數Λ

，一種排斥力，同時，他假設宇宙的物質密度非常低，

並將這種極低的密度假設為

0

。

（注：見書P65）並且，

他認為宇宙的空間幾何是歐幾里得的

（即認為從宏觀的大尺度上看，宇宙是平坦的）。

在

德希特宇宙

的數學模型中，宇宙的全部空間在愛因斯坦的Λ——排斥力的作用下加速膨脹。不過，這個宇宙沒有開始，也沒有結束，它沒有大小為0而物質密度無窮大的明顯開端，它的膨脹速度也保持恆定不變。

這是繼愛因斯坦的靜態宇宙後，根據廣義相對論方程組得出的第一個新的解。

未完待續，一起分享讀書心得吧！

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