斯蒂芬.霍金的世界
千年来
人们一直好奇
宇宙是永恒
或是有限的？
一切都由那儿来的呢？
是像教会说的
是被创造出来的？
还是像很多哲学家认为的
是永恒存在的？
几世纪以来
这两派争舫不休
却没有得到答案
但在我长大时
这些舫论终于结束了
一种宇宙的观点
占了上风
《盘古初开》
故事由一位牧师
兼科学家也是天文学家
开始
现在的高度
约一里左右
由海上吹来的冷空气 盖在底下的洛杉矶盆地上
就像是大气中
的压力盖
让暖空气和雾气留在下面
平稳的冷空气
在山顶流通
这是最清晰的
北美大陆影像
1917年
一家造船公司
来到洛杉矶的这片山头
建造前所未有
光学效果最佳的望远镜
威尔森山上的天文台
使我们对宇宙
有了新的观点
爱因斯坦
在此时发表了
他的广义相对论
似乎预测了宇宙 不可能是静止的
在这套理论模型下
宇宙不是在不断扩张 就是在不断缩小中
不可能是静止不动的
但爱因斯坦不满意 这种说法
他强烈地认为
宇宙是静止的假设
他不认为相对论预测了 宇宙是不断扩张或缩小着
反而认为应该黇改他的理论
爱因斯坦黇改了他的理论
加入了宇宙常数
来使相对论中的宇宙
可以维持一定的大小
但不久就有其他人
挑战这种想法
包括了一位天主教士
乔治勒梅特
和勒梅特一样
麦可海勒神父认为 科学和宗教
是携手并进的
有两种方式可使科学和宗教
互相交流
一种是直接的
神学家和科学家坐下来
试着对谈
通常结果是一场大灾难
另一种交流的方式
就是神职人员
从事科学究
几世纪以来
教会里的科学究
对外界有深远的影响
海勒神父来到罗马
参加教皇科学院的
宇宙学会议
梵谛冈教庭设立教皇科学院
提供教皇科学谘询
设立教皇科学院的目的
便是使教会和科学交流
最好的交流方式 就是在梵谛冈
进行科学究
二十世纪初
科学院里
最热烈的论题是
宇宙是怎么开始的？
第一位提出科学答案的
是乔治拉梅特
乔治拉梅特 是科学院选出的会员之一
他主黇神学与数学
他受了许多数学家的训练
但他对爱因斯坦的相对论
非常有兴趣
拉梅特决定以
他对宇宙起源的想法
来挑战爱因斯坦和
当时科学界的看法
他以非常诗意的叙述
来说明宇宙的确
有一个明确的开始
万物均为
由一浓密的太初原子
扩张而生
世界的演化
就如一个刚刚结束的烟火表演
红色的烟雾，灰烬
落在冷却下来的余烬上
看着逐渐隐去的太阳
我们记录了 世界形成时
消失的光辉
拉梅特的剧变式宇宙起源
和扩张的宇宙论
正是现在 普遍被接受的
大爆炸理论
但在当时少有科学家
认真地思考宇宙起源的问题
拉梅特持续地为他的想法奋斗
甚至和爱因斯坦面对面交手
但爱因斯坦并不松手
爱因斯坦完全拒绝
这套新的理论模型
他告诉拉梅特
他的物理太差
人人假设宇宙是静止不变的
爱因斯坦也不例外
也许他还没准备好来考虑
宇宙是不断扩张的想法
解决舫论所需的
正是一座新的天文台
1917年当时
世界最大的
百寸天文望远镜落成
吸引了许多天文观测者
能运用这座望远镜
来找出宇宙运作细节的人
最出名的一位观测家
是美国人艾德温哈伯
他的观测结果
结束了 爱因斯坦和拉梅特的争论
哈伯在20年代初期
来到威尔森山
为了他的论文
他做了一个猜测
而不是如往常一般做推测
他认为在夜空中
看到的稀薄的微云
是存在空中的
不是地表大气中的云层
这些星云
是螺旋状的
他认为这些星云
是我们银河系外的
哈伯的说法
在当时是相当特出的
那些夜空中的
明亮可见的星云
可能位在离我们
很远很远的其他银河系
远到了
在百寸望远镜制造之前
看来只是稀疏的云气
哈伯用望远镜
对其中一团星云
照了一张详细的照片
这不是一件简单的事
在地球自转同时
太空中追踪
一片星云
需要极大的耐力与持久
照相同时还显示了
千颗星星的位置
更是奇迹
有的衈光时间
长达30至40小时
这意味着他必须在
前一晚拍摄后
第二晚再回来打开盖子 开始衈光
哈伯整夜站在观测台上
一再地导引
哈伯发现这个星云
的确是位在我们银河系外
他照下了这张非常清楚的
仙女座螺旋状星系相片
精密地计算了
个别星星的明亮度后
哈伯可以算出
这些银河的远近
他发现我们最近的邻居 是在一百万光年之外
一夕之间
他改变了我们认知的宇宙大小
增加了大约10亿倍
如今这些暗暗的光
不再是我们银河系里的
而是一个个独立的星系
其中有着上千亿刻恒星
再加上其间广大的空间
使得今日所知的宇宙非常广大
同时也让我们
的地方显得渺小
哈伯确定了其他的星系后
将他的究更进一步
由观测遥远银河发出的光
可以发现他们都在行进中
哈伯在观测同时
分析这些星系发出的光
可以知道这些
星系是否在移动
以及它们移动的速度
移向我们或是远离我们
他发现离我们
越远的星系
以越快的速度离我们而去
这是所谓的哈伯定律
银河都离我们而去的事实
显示了宇宙正在不断扩张中
但哈伯很小心
不想太快下结论
爱因斯坦也不想相信
宇宙正不断地扩张
虽然他的相对论
是如此推论的
乔治拉梅特听到了
哈伯的发现
是他一直等待着的证据
1931年
爱因斯坦
和哈伯会面
拉梅特到加州和他们对谈
当科学和观察结果相遇时
往往科学因而向前迈进一大步
现代宇宙学
就植基于这次的会面
回头看看
我可以看到我的究基础
拉梅特以艰深的数学
向爱因斯坦
解析爱因斯坦的理论
并不断地表达他的观点
再加上哈伯的观测结果
爱因斯坦开始相信
宇宙扩张的证据
他也了解为什么拉梅特
认为他犯了大错
竟在相对论中
加了宇宙常数
来抵消扩张
会面结束时
爱因斯坦起身说：
这是我看过
最美的结果
从那时开始，爱因斯坦称
“宇宙常数”
为他一生中最大的错误
哈伯的观测结果
与拉梅特，爱因斯坦的想法
构成了宇宙学中的
“大爆炸”
也正是现代宇宙学的起源
哈伯先究了
这些星云的位置
找出了宇宙
在扩张的大幅动作
再和爱因斯坦
的相对论连结
得到了宇宙在百亿年前
确有一个开始的时间和空间
这便是宇宙学的崛起
小时候在学校
听到宇宙扩张时
我很着迷
但许多科学家
并不喜欢宇宙有个起始
初创的说想
英国广播电台播出
宇宙的本质
主讲人是剑里数学家
也是圣约翰学院会员的
佛〖德霍伊尔
在这集中他将讨论
持续创造论
霍伊尔先生
你们可能都和我一样
在成长过程中认知到
宇宙发生在一次大爆炸之后
在久远以前某个特定的时间点
现在我要告诉你们
这是错的
佛〖德霍伊尔的攻击 反驳了拉梅特，爱因斯坦
与其他大爆炸的支持者
斯阿玛现在在意大利教书
当时是一名年轻的剑里大学毕业生
他记得当时
被霍伊尔 和他的同事
的想法所震撼
和很多年轻天文学家一样
斯阿玛比较喜欢霍伊尔的
稳定状态宇宙论
而不喜欢大爆炸起源说
你要了解 那时并没有很多人
究宇宙学
一，两个叛逆人物
就能造成很大的影响
即使在进一步
了解细节之前
我都认为大爆炸的说法
不能令人满意
它不理性的过程
更不能用科学来描述
稳定状态理论
在1948年被提出
它和大爆炸理论互相矛盾
它接受宇宙是不断扩张的
但认为在银河越离越远时 新的物质会在银河间产生
当宇宙扩张之时
万物都会因扩张而越离越远 宇宙内的密度降低
一定得有新物质的产生
来保持宇宙内
稳定的密度
回顾过去
密度并没有增加
所以没有大爆炸这回事
因此，你便得到 这幅宏伟浩瀚的宇宙图画
所以宇宙是不断扩张的
但维持着整体一致的特性
我个人很喜欢这个理论
因为它的架构很清楚
宇宙的大架构
是恒久不变的
是种伟大的想法
没有一个怪异的起始点
但稳定状态理论
不能解释
宇宙间物质是如何形成的
大爆炸理论的支持者
似乎最能解释
物质是始何被创造的
一切都在火热的大爆炸时 被创造出来
霍伊尔想找出
不需要大爆炸的解释
问题在于重元素
是在那儿产生出来的
在宇宙间必须有够热的地方
产生核子反应来产生
今日我们所知的元素
地球上的一切
都由百种以内的元素所组成的
但这些元素怎么来的呢？
地质学家克里斯霍尔
着迷于这个问题
他用传统的淘洗方式
来究一个地方的地质
过滤出主要元素
像是黄金这样的重金属
最重的元素不会溶解
可以在地球上永远存在
黄金不会在大气中 被化学分解
一旦它沉积于河里
会一直留在那儿
一种说法便是
持久的东西必定
在很剧烈的物理状态下形成的
但地球上
并没有如此极端的状况
来产生这些元素
稳定状态学派必须证明
大爆炸并非物质形成的来源
他们向星星寻找解释
解释元素来源上的大成就
来自稳定状态学派
天文学家的理论究
说明元素如何能合成产生
星体中的较重元素
稳定状态支持者说
恒星是因重力将星云中的氢气
越拉越近所产生的
他们认为当气压不断上升时
部份氢原子便会发生聚变 成为氦气原子
当星体中的状况变得强烈时
氦原子会融合为
原子序更大的元素中 如氧
和碳，如此持续下去
直到铁的产生
他们建议
熔合会在此时结束
小星体会冷却
和缓地消退死亡
而大的星体
则有较剧烈的死亡
极大的星体
会自己崩塌
引发极热的大爆炸
形成超新星
超新星再引发
所有比铁重的元素的熔合
将它们炸到
亿万里外的太空中
在太空中
像灰尘一样漫游
直到和其他星尘混合一起
因重力形成新的恒星，行星
最后有了生命
稳定状态理论家继续
一步一步地建构合理的解释
说明元素如何
靠着星体合成
来持续产生
问题在于必须要找出
产生这串过程的原料
答案是氢气
最重要的问题
就是氢气从那儿来的
霍伊尔以为氢气
是在太空中持续产生的
这需要一条
新物理定律才可能
而太空中的氦
远比恒星氢融合
所产生的多更多
明显的答案
就是大爆炸能同时产生氢和氦
但这不是霍伊尔想要的答案
他并没轻易放弃
霍伊尔说 如果大爆炸有发生
那么宇宙间
一定有痕迹留下
像是一种幅射化石
这正是大爆炸学者在找的
如果宇宙是在大爆炸中产生的
那样高热的爆炸
即使在今日
都能在太空中
找到一点点残余
做博士究生时
我就了解如果能在一百五十亿年后
侦测到幅射的残余
会是多么重要的一作事
时至今日
它必定已冷却到
最低的可能温度
摄式零下273度
普林斯敦教授包布狄基
在1964年
想到一个方法
让学生来找寻
大爆炸的幅射
一天下午
他进来时很兴奋
开始描绘证明
大爆炸的想法
在当时大爆炸
是很有争议的
大家并不是那么相信
稳定状态理论非常流行
但如果有大爆炸
那么其间一定有热幅射
虽然这是条漫漫长路
这么急进的想法有不少风险
但可能可以
做个试验来找找看
而且并不会花太多时间
那时我也没别的事要做
所以我决定要
加入实验
当时28岁的学生
大卫威金森
帮忙架设
找寻大爆炸证据的设备
你要想像
我们深藏这个爆炸之中
想像一颗炸弹爆炸时
形成的大火球
我们其实
是身处这颗火球之中的
幅射是由各个方向而来
我们在外面
看着它飞过我们
身处其中
则可以在四面八方
看到同样的情形
为了找寻大爆炸的幅射
小组将设计好的
定向号角大天线
搬到了普林斯敦的屋顶上
1965年
威金森和同事们
在调节设备时
事情有了出乎意料的改变
鲍伯威尔森刚开始
在贝尔实验室工作
他是位电波天文学家
公司究部
特别找他来
为公司原有卫星无线电 传送用的号角形天线
找新用途
那种天线原本是第一个 用以接收人造卫星
无线电讯号的
当我们接管 号角形天线的反射器时
发生了一件
我们不希望的事
天线里传来
太多的杂音
我们预期
大气层内会有杂音
天线本身管壁上
也会产生杂音
我们认为太空里
基本上应是无杂音的
不管把天线指上何方
总是有烦人的杂讯
即使把天线指向空洞的太空
杂讯还是一样存在
我们担心
因为我们是在
纽约市附近的小山上
不是无线电天文学家
会选的地方
我们有非常精良的仪器
于是我们将天线对着
下方的纽约市来测验
结果没发现任何特别状况
纽约市并没放射 那些杂讯的频率
于是我们排除了
多出杂讯的可能来源
我们仍然相信着物理学
东西必然有出处的
他们想也许杂讯不是来自太空
于是检查看看
是不是天线本身的问题
最明显的问题是
天线闲置时
有一对鸽子住在里面
而天线大部分时候
都是闲置的
它们爬到里面栖息
把里面弄得到处都是鸽粪
就像在都市里一样
我们知道这一定 会对杂讯生成有影响
于是威尔森和
这些无线电天文学家 的小组成员们
花了两星期
来清除天线里的鸽粪
最后鸽子被抓到了
用公司信件寄到
贝尔实验室
最远的分公司
但这两只可是家鸽
几天后
同样一对鸽子回来了
于是我们的技工带了猎枪来
但这些鸽子是无辜的
无线电杂讯持续不断
他们花了一年时间
不断检查他们的仪器
1965年时
他们已经绝望了
于是打电话 向普林斯敦大学求援
鲍伯狄基接到了电话
电话铃响时
我们都在狄基的办公室
我们听到他说了有关天线的事
大家耳朵都竖了起来
因为听来他们
有我们正在建造的设备
电话正是潘滋亚斯和威尔森
在35里打来的
狄基挂了电话
我永远不会忘记
他当时说的话
“我们挖到宝了”
他们带着自己的资料
到贝尔实验室去
亲身体会无线电波的杂讯
威金森看到了他们的仪器
和记录时
知道在找寻大爆炸痕迹上
他的小组被捷足先登了
我个人认为这事
有五成机会成功
当我们确实发现
太空中有可能
来自大爆炸的幅射时
是非常兴奋的
这是宇宙学究上的重大改变
很高兴
能在第一线看到它的发生
背景幅射的发现
以及当时其他的一些发现
真的让稳定状态理论盖棺了
在稳定状态理论下
很难去解释
背景幅射的来源
这似乎是大爆炸的确凿证明
以“太古原子”
启发这一切的
拉梅特在他死前数天
听到消息
之后在1978年
潘滋亚斯 和威尔森得到科学的终极爵位
大约在13年之后
我们得到了诺贝尔奖
颁给我们诺贝尔奖
是为了我们的发现
并不是因为我们是
最好的物理学家或是科学家
是为了发现
对人类有用 或是很有趣的事物
我很难认为自己
和爱因斯坦等人
是同一类的
但我了解这的确是 一项重要的发现
我只觉得自己很幸运地 出现在良好时空下
我也欣慰它带来的结果
在我念博士时
背景杂讯被发现了
终于有一项观察结果
可以确认我的究了
我去剑里
是因想跟随霍伊尔
究宇宙学
及宇宙扩张
幸运的我
并没得到我想要的指导老师
史帝芬来剑里时
是想师事霍伊尔
那时霍伊尔不收新学生
我是系上唯一能在宇宙学究 指导学生的
宇宙学正是史帝芬想念的
于是我成了他的指导教授
我们一起讨论各种不同的计划
我在剑里并没有一个好的开始
我刚被诊断出
得了肌肉萎缩侧向硬化症
根本不知道
能不能活到念完博士
而我又一直找不到 论文的适当题材
博士论文必须要包含了
大量的原创知识
而这是很大的负担
而且蛮过分的
因为你必须在三年间
做出这样的一篇论文
而你就被逼在限定时间内
要假造出一些成果
因为当时正是
宇宙学不兴盛时
史帝芬前几年的进度很慢
他找不到好的论文题目
我也找不出好的给他
时间越来越少
剩下不到一年时
他终于找到了一个题目
有关建立一套 大爆炸开始时的条件理论
灵感来自
罗杰〖罗斯有关恒星的究
那时〖罗斯已是我的好朋友
他正在究
他自己的一项杰出工作
我认为那是有相对论以来 对相对论最大的贡献
大约在1916年前后
究的重心不在宇宙
而是在恒星
史帝芬后来
对宇宙的部分
做出了重要贡献
〖罗斯证明
大质量的恒星崩塌时
最后会压缩成黑洞
在黑洞里
有密度无限大的单一一个点
叫做奇点
就像宇宙开始时一样
又小密度又大
史帝芬对我说
我们可以将〖罗斯的论点 应用在全宇宙
宇宙在某种程度上
可以说就是一颗大星星
当然宇宙是不断在扩张的
但如果把时间倒反过来
那么宇宙也就是正在崩塌
就像一颗很大的星星
在崩塌一样
如果是崩塌
那么必然能找到一奇点
所以在正常时间序列下
造成宇宙的大爆炸
必然是独一的
我是不是该究这个问题呢？
我说听来是个好问题
我认为你可以继续究下去
我想这会是一个重点发现
然后，他走了
于是他在最后的一年里
来证明宇宙奇点的理论
基于一些合理的假设 说明大爆炸是独一的
我以说明爱因斯坦 广义相对论
意含宇宙由
大爆炸产生
得到博士学位
它不可能再次崩塌
弹回及再次扩张
从拉梅特的太古原子
到我的究
花了数十年
大爆炸理论
已几近完整
但仍然尚有一个主要问题
如要形成银河
最初的宇宙
必不是完全一致的
潘滋亚斯和威尔森
发现的幅射
应能反应这一点
但它似乎是
各方向一致的
如果大爆炸理论为真
那么各方来的幅射
必有所不同
这一定要有观察的证明
加州一位宇宙学家史莫特
认为这是一大挑战
他开始找寻
宇宙起源时的
冷及热的变化
小小的不完美
来为银河起始下注脚
如果大爆炸是正确的
我们要找到
这些不完美的地方
来得知宇宙是怎么形成
和扩张的
也能同时知道
这样的大架构的根源为何
也就是各恒星和星系 以及星系团
这些都必须在那儿
开始时，你认为
一定很容易找到的
把天线向一个方向立起来
看看温度怎么样
再向另一方向
测看看
然后做个比较
看看能不能找出变化
但当你了解
这是千分之一 十万分之一的情形时
你知道你面对了大挑战
用一个像普林斯敦大学
使用的定向号角天线
史莫特开始了一系列实验
他企图做出一张详细地图
以大爆炸幅射线遗迹里
温度较冷地方
显示银河的形成
最大的挑战是
把这样精密的仪器
带出地表大气层
最初他们尝试用氦气气球
但气球不是很可靠
而且常遗失
U2飞机似乎比较可靠
但停留空中时间不够久
一开始我就认为
到太空里去做这项实验
是最好的
我必须要等待机会
等待太空总署说
他们愿意为太空中卫星实验 找新的点子
等了几年后
太空总署给了史莫特机会
有史以来第一颗宇宙学卫星
名为柯比
1989年
在一个多风的清晨
柯比准备升空了
你如果在 卫星升空的小组工作
你太清楚所有的可能
你太知道它可能成功发射 或是不能升空
有这个问题，那个问题
第二阶段时有导航的问题
还有其他许多要关心的问题
而升空的时刻终于来到
只剩几分钟了 而一切都好了
五、四、三、二、发射
突然看到第二颗太阳出现
那是火箭的火焰
我一直问：怎么回事
我什么声音都没听到
然后才想到光速比音速快
突然你的胸部开始震动
好像在一场摇滚音乐会一样
好似你站在音箱之前 被震动着
然后火箭离地 是你见过最惊人的景像
每样事物交错一起
我心里叫着：让它升高 请让它升空
柯比卫星非常成功
其结果是前所未有的
在第一天结束时
我们得到了一张
从未有过的清楚地图
大约有一半的天空那么大
但比我们最后的
结果少许多
花了一整年的时间
收集了三十亿个观测数据
我们集结成了一张地图 显示了一些有趣的结构
终于，一张显示一百五十亿年前
宇宙当时的相片
大火球开始冷却
而结构开始形成
粉红和蓝色的区块
代表温度的小变化
较冷的蓝色地区是
物质集结
形成银河的地方
柯比让大爆炸屹立不摇
只有认为
大爆炸是对的
才能了解结构
是如何形成的
也同时了解了
宇宙的创造
柯比终于解决 宇宙形成的问题
目前这项计划已结束
史密松宁学会正建立博物馆
来展示这个历史成就
柯比找出宇宙最早的结构
如果你是很虔诚的人
你由此看到上帝的手迹
他写下了要如何创造宇宙
这好像在一部十诫在你眼前 可以亲口念出
只不过这不是十诫
而是宇宙形成
在字里行间
你可以看到创作宇宙的食谱
在这座科技大教堂里
正在建造柯比卫星的接任者
不管它将做什么
都不太可能
推翻柯比得到
对大爆炸有利的发现
拉梅特的太古原子 和大爆炸的发现
提供教会
创世论的一刻
也给了科学
最可信的宇宙解释
1975年
我因证明大爆炸理论
被授予章
1981年
我回到梵谛冈
参加宇宙学会议
这次是另一位教皇在位，他说
究大爆炸后
的宇宙很好
但我们不应质疑
大爆炸本身
因为那是
上帝的杰作
如果科学与宗教
是一体的
也许我们彼此
还不是那么对眼