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第三章 埃文斯牧师的宇宙

第三章 埃文斯牧师的宇宙

第三章 埃文斯牧师的宇宙

罗伯特·埃文斯牧师是个说话不多、性格开朗的人,家住澳大利亚的蓝山山脉,在悉尼以西大约80公里的地方。当天空晴朗,月亮不太明亮的时候,他带着一台又笨又大的望远镜来到自家的后阳台,干一件非同寻常的事。他观察遥远的过去,寻找临终的恒星。

观察过去当然是其中容易的部分。朝夜空瞥上一眼,你就看到了历史,大量历史——你看到的恒星不是它们现在的状态,而是它们的光射出时的状态。据我们所知,我们忠实的伙伴北极星,实际上也许在去年1月,或1854年,或14世纪初以后的任何时候就已经熄灭,因为这信息到现在还无法传到这里。我们至多只能说——永远只能说——它在680年以前的今天还在发光。恒星在不断死亡。罗伯特·埃文斯干得比别人更出色的地方是,他发现了天体举行告别仪式的时刻。

白天,埃文斯是澳大利亚统一教会一位和蔼可亲、快要退休的牧师,干点临时工作,研究19世纪的宗教运动史。到了夜间,他悄悄地成为一位天空之神,寻找超新星。

当一颗巨大的恒星——一颗比我们的太阳还大的恒星——坍缩的时候,它接着会壮观地爆炸,刹那间释放出1000亿颗太阳的能量,一时之间比自己星系里所有的恒星的亮度加起来还要明亮。于是,一颗超新星诞生了。"这景象犹如突然之间引爆了1万亿枚氢弹。"埃文斯说。他还说,要是超新星爆炸发生在离我们只有500光年远的地方,我们就会完蛋——"彻底把锅砸了。"他乐呵呵地说。但是,宇宙是浩瀚的,超新星通常离我们很远很远,不会对我们造成伤害。事实上,大多数远得难以想像,它们的光传到我们这里时不过是淡淡的一闪。有一个月左右的时间,它们可以看得见。它们与天空里别的恒星的惟一不同之处是,它们占领了一点儿以前空无一物的空间。埃文斯在夜间满天星斗的苍穹里寻找的,就是这种很不寻常、非常偶然发生的闪光。

为了理解这是一种多么高超的本事,我们来想像一下,在一张标准的餐桌上铺一块黑桌布,然后撒上一把盐。我们把撒开的盐粒比做一个星系。现在,我们来想像一下,再增加1500张这样的餐桌——足以形成3公里长的一条直线——每一张餐桌上都随意撒上一把盐。现在,在任意一张餐桌上再加一粒盐,让罗伯特·埃文斯在中间行走。他一眼就看到了那粒盐。那粒盐就是超新星。

埃文斯是个杰出的天才人物,奥利弗·萨克斯在《一位火星上的人类学家》中有一章谈到孤僻的学者,专门用一段文字来描述埃文斯——但他马上补充说:"绝没有说他孤僻的意思。"埃文斯从来没有见过萨克斯,对说他性格孤僻也罢,一位学者也罢,都报以哈哈大笑,但他不太说得清自己怎么会有这种天才。

埃文斯的家在黑兹尔布鲁克村边缘的一栋平房里,环境幽静,景色如画,悉尼就到这里为止,再往前便是无边无际的澳大利亚丛林。有一次,我去拜访了他和他的夫人伊莱恩。"我好像恰好有记住星场的本事。"他对我说,还表露出不好意思的样子,"别的事我都不特别擅长,"他接着说,"我连名字都不太记得住。"

"也记不住东西搁在哪儿。"伊莱恩从厨房里喊着说。

他又坦率地点了点头,咧嘴一笑,接着问我是不是愿意去看一眼他的望远镜。我原来以为,埃文斯在后院有个不错的天文台——一个小型的威尔逊山天文台或帕洛马天文台,配有滑动的穹形屋顶和一把移动方便的机械椅子。实际上,他没有把我带出屋外,而是领着我走进离厨房不远的一个拥挤不堪的贮藏室,里面堆满了书和文献。他的望远镜——一个白色的圆筒,大小和形状像个家用热水箱——就放在一个他自己做的、能够转动的胶合板架子上面。要进行观测的时候,他分两次把它们搬上离厨房不远处的阳台。斜坡下面长满了桉树,只看得见屋檐和树梢之间一片信箱大小的天空,但他说这对于他的观测工作来说已经绰绰有余。就是在那里,当天空晴朗、月亮不太明亮的时候,他寻找超新星。

超新星这个名字,是一位脾气极其古怪的天文物理学家在20世纪30年代创造的,他的名字叫弗里茨·兹威基。他出生在保加利亚,在瑞士长大,20世纪20年代来到加州理工学院,很快以粗暴的性格和卓越的才华闻名遐迩。他似乎并不特别聪明,他的许多同事认为他只不过是个"恼人的小丑"。他是个健身狂,经常会扑倒在加州理工学院饭厅或别的公共场所的地板上做单臂俯卧撑,向任何表示怀疑的人显示他的男子气概。他咄咄逼人,最后变得如此气势汹汹,连他最亲密的合作者——性格温 和的沃尔特·巴德——也不愿意跟他单独在一起。兹威基还指责巴德是个纳粹分子,因为他是德国人。其实,他不是。巴德在山上的威尔逊山天文台工作。兹威基不止一次扬言,要是他在加州理工学院校园里碰上,他要把巴德杀了。

然而,兹威基聪明过人,具有敏锐的洞察力。20世纪30年代初,他把注意力转向一个长期困扰天文学家的问题:天空中偶尔出现而又无法解释的光点——新的恒星。令人难以置信的是,他怀疑问题的核心是否在于中子——英国的詹姆斯·查德威克刚刚发现的,因而是新奇而时髦的亚原子粒子。他突然想到,要是恒星坍缩到原子的核心那种密度,便会变成一个极其坚实的核。原子实际上已经被压成一团 ,它们的电子不得不变成核子,形成了中子。这样就形成了一颗中子星。想像一下,把100万枚很重的炮弹挤压成一粒弹子的大小——哎呀,这还差得远呢。一颗中子星核的密度如此之大,里面的一调羹物质会重达900亿千克。只是一调羹啊!然而,不仅如此。兹威基意识到,这样的一颗恒星坍缩以后会释放出大量的能量——足以产生宇宙里最大的爆炸。他把这种由此产生的爆炸叫做超新星。它们会是——实际上也是——创建宇宙过程中最大的事件。

1934年1月15日,《物理学评论》杂志刊登了一篇论文的简短摘要。论文是由兹威基和巴德前一个月在斯坦福大学发表的。尽管摘要极其短小——只有24行字——但它包含了大量新的科学知识:它首次提到超新星和中子星;它令人信服地解释了它们的形成方法;它准确地计算出它们爆炸的等级;作为一种结论,它把超新星爆炸与所谓的宇宙射线这一神秘的新现象的产生联系起来。宇宙射线大批穿过宇宙,是新近才被发现的。这些理念至少可以说是革命性的。中子星的存在要再过34年才得以确认。宇宙射线的理念虽然被认为很有道理,但还没有得到证实。总而言之,用加州理工学院天文物理学家基普·s.索恩的话来说,这篇摘要是"物理学和天文学史上最有先见之明的文献之一"。

有意思的是,兹威基几乎不知道这一切发生的原因。据索恩说:"他不大懂物理学定律,因此不能证明他的思想。兹威基的才华是用来考虑大问题的,而收集数据是别人——主要是巴德——的事。"

兹威基也是第一个认识到,宇宙里的可见物质远远不足以把宇宙连成一片,肯定有某种别的引力影响——就是我们现在所谓的暗物质。有一点他没有注意到,即中子星坍缩得很紧,密度很大,连光也无法摆脱它的巨大引力。这就形成了一个黑洞。不幸的是,他的大多数同事都瞧不起他,因此他的思想几乎没有引起注意。5年以后,当伟大的罗伯特·奥本海默在一篇有划时代意义的论文中把注意力转向中子星的时候,他没有一次提到兹威基的成就,虽然兹威基多年来一直在致力于同一个问题,而且就在走廊那头的办公室里。在差不多40年的时间里,兹威基有关暗物质的推论没有引起认真的注意。我们只能认为,他在此期间做了许多俯卧撑。

令人吃惊的是,当我们把脑袋探向天空的时候,我们只能看见宇宙的极小部分。从地球上,肉眼只能见到大约6000颗恒星,从一个角度只能见到大约2000颗。如果用了望远镜,我们从一处看见的星星就可以增加到大约5000颗;要是用一台5厘米的小型天文望远镜,这个数字便猛增到30万颗。假如使用像埃文斯使用的那种40厘米天文望远镜,我们就不仅可以数恒星,而且可以数星系。埃文斯估计,他从阳台上可以看到的星系可达5万-10万个,每个星系都由几百亿颗恒星组成。这当然是个可观的数字,但即使能看到这么多,超新星也是极其少见的。一颗恒星可以燃烧几十亿年,而死亡却是一下子的事儿。只有少量的临终恒星发生爆炸,大多数默默地熄灭,就像黎明时的篝火那样。在一个由几千亿颗恒星组成的典型星系里,平均每二三百年会出现一颗超新星。因此,寻找一颗超新星,有点像立在纽约帝国大厦的观景台上,用望远镜搜索窗户外的曼哈顿四周,希望发现——比如说——有人在点着21岁生日蛋糕上的蜡烛。

因此,要是有一位满怀希望、说话细声细气的牧师前来联系,问一声他们有没有可用的星场地图,以便寻找超新星,天文学界一定会认为他的脑子出了毛病。当时,埃文斯只有一台5厘米的天文望远镜——这供业余观星之用倒差不多,但用那玩意儿来搞严肃的宇宙研究还远远不够——他却提出要寻找宇宙里比较稀罕的现象。埃文斯于1980年开始观察,在此之前,整个天文学史上发现的超新星还不到60颗。(到我2001年8月拜访他的时候,他已经记录了他的第34次目视发现;3个月以后,他有了第35次发现;2003年初,第36次。)然而,埃文斯有着某些优势。大部分观察者像大部分人口一样身处北半球,因此身处南半球的他在很大程度上独自拥有一大片天空,尤其是在最初的时候。他还拥有速度和超人的记忆力。大型天文望远镜是很笨重的东西,移动到位要花掉好多操作时间。埃文斯可以像近距离空战中的机尾射手那样把5厘米小型望远镜转来转去,用几秒钟时间就可以瞄准天空中任何一个特定的点。因此,他一个晚上也许可以观测400个星系,而一台大型专业天文望远镜能观测五六十个就很不错了。

寻找超新星的工作大多一无所获。从1980年到1996年,他平均每年有两次发现——那要花几百个夜晚来观测呀观测呀,真不划算。有一回他15天里有3次发现,但另一回3年里也没有发现1次。

"实际上,一无所获也有一定价值,"他说,"它有利于宇宙学家计算出星系演变的速度。在那种极少有所发现的区域,没有迹象就是迹象。"

在望远镜旁边的一张桌子上,堆放着跟他的研究有关的照片和文献。现在,他把其中一些拿给我看。要是你翻阅过天文学的通俗出版物,你就会知道,上面大多是远处星云之类的色彩鲜艳的照片——那是由天光形成的彩色云团 ,华美动人,异常壮观。埃文斯拍下的形象根本无法与之相比。它们只是模模糊糊的黑白照片,上面有带有光环的小亮点。他让我看一幅照片,它描述了一大群恒星,上面有一点儿光焰,我不得不凑近了才看得清楚。埃文斯对我说,这是天炉星座的一颗恒星,天文学上称之为ngc1365。(ngc代表"新编总目录",上面记录着这些材料。过去是都柏林某人书桌上的一本笨重的书;不用说,如今是一个数据库。)在6000万年时间里,这颗恒星的壮丽死亡时所发出的光,不停地越过太空,最后在2001年8月的一天夜里以一点微光的形式抵达了地球。当然是身处桉树芬芳的山坡上的罗伯特·埃文斯发现了它。

"我想,这还是挺令人满意的啊,"埃文斯说,"想一想,那个光在太空里走了几百万年,抵达地球的时候恰好有个人在不偏不倚地望着那片天空,结果看到了它。能亲眼目睹这样一个重大事件,这似乎是挺不错的。"

超新星远远不止让你产生一种惊奇感。它们分为几种类型(有一种是埃文斯发现的),其中之一名叫ia超新星,它对天文学来说尤其重要,因为这类超新星总是以同样的方式爆炸,拥有同样关键的质量。因此,它们可以被用做"标准烛光"——用来衡量其他恒星的亮度(因此也是衡量相对距离)的标准,从而衡量宇宙的膨胀率。

1987年,由于需要比目测所能提供的更多的超新星数目,加利福尼亚州劳伦斯·伯克利实验室的索尔·珀尔马特开始寻找一种更加系统的搜寻方法。珀尔马特利用先进的计算机和电荷耦合器件设计了一个绝妙的系统——实质上是一流的数码相机。它使寻找超新星的工作自动化了。现在,天文望远镜可以拍下几千幅照片,然后利用计算机来发现能够说明发生了超新星爆炸的亮点。在5年时间里,珀尔马特和他的同事们在伯克利利用这种新技术发现了42颗超新星。如今,连业余爱好者也在用电荷耦合器件发现超新星。"使用电荷耦合器件,你可以把天文望远镜瞄准天空,然后走开去看电视,"埃文斯不大高兴地说,"那种神奇的味道已经不复存在了。"

我问埃文斯,他是不是想采取这种新技术。"哦,不,"他说,"我很喜欢自己的办法,而且,"他朝新近拍摄的一幅超新星照片点了点头,微微一笑,"有时候我仍能超过他们。"

很自然产生了这样的问题:要是一颗恒星在近处爆炸,情况会怎么样?我们已经知道,离我们最近的恒星是α星,在4.3光年以外。我曾经想像,要是那里发生一次爆炸,我们在4.3年时间里都看得到大爆炸的光洒向整个天空,仿佛是从一个大罐子里泼出来的那样。要是我们有4年零4个月的时间来观看一次无法逃脱的末日渐渐向我们逼近,知道它最后到达之时会把我们的皮肉从骨头上刮得一干二净,情况会怎么样?人们还会上班吗?农民还会种庄稼吗?还有人把农产品运到商店去吗?

几个星期以后,我回到了我居住的那个新罕布什尔州小镇,向达特茅斯学院的天文学家约翰·索尔斯坦森提出了这几个问题。"哦,不会了,"他笑着说,"这么一件大事的消息会以光的速度传开,还有那个破坏性,你一听顿时会被吓死。不过,别担心,这种事情不会发生。"

至于超新星爆炸的冲击波会要你的命的问题,他解释说,你非得"离得近到荒唐可笑的程度"——很可能是10光年左右之内。"危险来自各种辐射——宇宙射线等等"。辐射会产生惊人的极光,像闪闪发亮的怪异光幕,充斥整个天空。这不会是一件好事情。任何有本事上演这么一幕的事儿会把磁层——地球高空通常使我们不受紫外线和其他宇宙袭击的磁场——一扫而光。没有了磁层,任何倒霉蛋只要踏进阳光,很快就会看上去——比如说——像个烤焦的比萨饼。

索尔斯坦森说,有理由相信,这种事情在星系的我们这个角落里不会发生,这是因为,首先,形成一颗超新星要有一种特别的恒星。恒星非得要有我们的太阳10-20倍那么大小才有资格,而"我们附近没有任何符合这个条件的星球"。非常运气,宇宙是个大地方。他接着说,离我们最近的、很可能有资格的,是猎户座;多年来,它一直在喷出各种东西,表明那里不大稳定,引起了大家的注意。但是,猎户座离我们有5万光年之远。

在有记载的历史上,只有五六次超新星是近到肉眼看得见的。一次是1054年的爆炸,形成了蟹状星云。另一次是在1604年,创造了一颗亮得在3个多星期里连在白天都看得见的恒星。最近一次是在1987年,有一颗超新星在宇宙一个名叫大麦哲伦云的区域闪了一下,然而仅仅勉强看得见,而且仅仅在南半球看得见——它在16.9万光年以外,对我们毫无危险。

超新星还有一方面对我们来说是绝对重要的。要是没有了超新星,我们就不会来到这个世界上。你会想得起来,第一章快结束的时候,我们谈到宇宙之谜——大爆炸产生了许多轻的气体,但没有创造重的元素。重元素是后来才有的,但在很长时间里,谁也搞不清它们后来是怎么产生的。问题是,你需要有某种温 度确实很高的东西——比温 度最高的恒星中央的温 度还要高——来锻造碳、铁和其他元素;要是没有这些元素,我们就令人苦恼地不会存在。超新星提供了解释。这个解释是一位几乎像弗里茨·兹威基一样行为古怪的英国宇宙学家作出的。

他是约克郡人,名叫弗雷德·霍伊尔。霍伊尔死于2001年,在《自然》杂志的悼文里被描写成一位"宇宙学家和好辩论的人",二者他都受之无愧。《自然》杂志的悼文说,他"在一生的大部分时间里都卷入了争论",并"使自己名声扫地"。比如,他声称,而且是毫无根据地声称,伦敦自然史博物馆里珍藏的那件始祖鸟化石是假的,与皮尔当人头盖骨的骗局如出一辙,这使得博物馆的古生物学家们非常恼火。他们不得不花了几天工夫来回答记者们从世界各地打来的电话。他还认为,地球不仅从空间接受了生命的种子,而且接受了它的许多疾病,比如感冒和腺鼠疫。他有一次还提出,人类在进化过程中有了突出的鼻子和朝下的鼻孔,就是为了阻止宇宙病原菌掉进去。

是他1952年在一篇广播稿中开玩笑地创造了大爆炸这个名字。他指出,我们在理解物理学的时候,怎么也解释不了为什么一切会聚合成一点,然后又突然戏剧性地开始膨胀。霍伊尔赞成恒稳态学说,该学说认为宇宙在不断膨胀,在此过程中不断创造新的物质。霍伊尔还意识到,要是恒星发生爆聚,便会释放出大量热量——温 度在1亿摄氏度以上,足以在被称之为核合成的过程中产生较重的元素。1957年,霍伊尔和别人一起,展示重元素是如何在超新星的爆炸中形成的。由于这项工作,他的合作者w.a.福勒获得了诺贝尔奖。霍伊尔则没有,很难为情。

根据霍伊尔的理论,一颗爆炸中的恒星会释放出足够的热量来产生所有的新元素,并把它们洒在宇宙里。这些元素会形成气云——就是所谓的星际媒介——最终聚合成新的太阳系。有了这些理论,我们终于可以为我们怎么会来到这个世界的问题构筑一个貌似有理的设想。我们现在认为自己知道的情况如下:大约46亿年之前,一股直径约为240亿公里、由气体和尘埃组成的巨大涡流,积储在我们现在所在的空间,并开始聚积。实际上,太阳系里的全部物质——99.9%的物质——都被用来形成了太阳。在剩下的飘浮物质当中,两颗微粒飘到很近的地方,被静电吸到一起。

这是我们的行星孕育的时刻。在整个初生的太阳系里,同样的情况正在发生。尘粒互相碰撞,构成越来越大的团 块。最后,这些团 块大到了一定程度,可以被称做微行星。随着这些微行星无休止地碰撞,它们或破裂,或分解,或在无休止而又随意的置换中重新合并,但每次碰撞都有一个赢家,有的赢家越来越大,最后主宰了它们运行的轨道。

这一切都发生得相当快。据认为,从小小的一簇尘粒变成一颗直径为几百公里的幼星,只要花几万年的时间。在不过2亿年的时间里,很可能还不到,地球就基本形成了,虽然仍是灼热的,还经常受到仍在到处飘浮的碎片的撞击。

在这个时刻,大约在45亿年以前,一个火星大小的物体撞上了地球,炸飞了足够的材料来形成一颗伴星——月球。据认为,不出几个星期,被炸飞的材料已经重新聚成一团 ;不出一年,它变成了那个现在还陪伴着我们的岩石球体。据认为,构成月球的大部分材料来自地壳,不是地核,这就是月球上极少有铁的原因,而地球上铁却很多。顺便说一句,这个理论几乎总是被说成是最近提出的,而事实上,它最初由哈佛大学的雷金纳德·戴利于20世纪40年代提出。关于这个理论,惟一最近的事儿就是人们已经不大重视它了。

当地球还是它最终大小的大约三分之一的时候,它很可能已经开始形成大气,主要由二氧化碳、氮、甲烷和硫组成。我们几乎不会把这些东西与生命联系起来;然而,在这有毒的混杂物中,生命形成了。二氧化碳是一种强有力的温 室气体。它是一样好东西,因为当时太阳已经弱多了。要是我们没有受益于温 室效应,地球很可能已经永久被冰雪覆盖。生命也许永远找不到一块立足之地。但是,生命以某种方式出现了。

在之后的5亿年里,年轻的地球继续受到彗星、陨石和银河系里其他碎块的无情撞击。

这个过程产生了蓄满海洋的水,产生了成功形成生命所必不可少的成分。这是个极不友好的环境,然而生命还是以某种方式开始了。有一小袋化学物质抽动一下,变成了活的。我们快要来到这个世界上了。

40亿年以后,人们开始想,这一切到底是怎么发生的?下面,我们就来讲讲这个故事。

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