从形而上学到质能与时空的共舞

 “上下四方曰宇，往古来今曰宙”。2000多年前的古人在这样的词句里为“宇宙”赋予了最基本的定义——所谓宇宙，就是空间和时间的结合。如空间和时间的概念，对于古人来说未免过于空洞。他们更多的是通过生活经验来描述这种抽象概念的：所谓“宇”字，原指房屋的四周区域，进而指代房屋，最终被用来描述整个空间；而“宙”字，原指房屋中的栋梁，进而指代高处，最终被用来描述时间。

那么时间和空间又是从何而来？在中国神话里，一个名叫“盘古”的创造者，在一片“混沌”之中，借助着超自然的力量使“清气”和“浊气”分开，让清气上升成为“天”，浊气下沉成为“地”，时空由此产生，而盘古的身躯则化为时空中的物质。

和盘古开天辟地的故事类似，各个文明多有属于其自身的创世神话。在不同的神话里，时间和空间以不同的方式被创造出来，尔后宇宙便以某种规则和秩序呈现在人类的面前。人只能存在于时间和空间之中，那么时间和空间究竟是什么，为何时间像是一条长河，永远奔流向前，不停留也不回头；而空间则有前后、左右、上下的三个维度？对于时空的疑问，出于人的本能，也是人在探索自然界的过程中所发出的终极疑问。关于时间和空间的本质，人类经历了数千年的求索，终于认识到一个生动且活跃的时空。而我们自身的存在，又与时空的本质紧密相连。由圆周运动开始

在古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle）看来，天体的运动永恒不息，唯有匀速圆周运动能够做到无始无终，永远循环下去，因此可以说圆形运动轨道是最“神圣”的运动形式。他所想象的宇宙模型是一层层的同心球体，所有天体都围绕着球心做圆周运动，人类则恰好居住在球心的位置，处于静止状态。也正是从亚里士多德开始，人类对宇宙的理解和几何学产生了紧密联系。

深受亚里士多德的影响，2世纪长期居住在亚历山大城的数学家克罗狄乌斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus）发展出了一套极其繁复，以地球为中心的宇宙观——托勒密体系（Ptolemaic system）。这样的宇宙观随后与宗教结合在一起，逐渐演变成了不但主宰西方，且深刻影响了阿拉伯世界1000多年的地心说。托勒密体系可以说是一套集直觉、想象、宗教和数学于一体的宇宙观。这样一套以地球为宇宙中心的世界观之所以能够长时间在西方和阿拉伯世界处于主导地位，不仅是因为它符合人们的直觉，以及受到了宗教力量的加持，也是因为它确实可以解释和预测一些天文现象。人们甚至根据托勒密体系制定出不同的历法，以指导日常生活和农耕活动。

这样一套看似值得信赖的宇宙观，在上千年的时间里已经深入欧洲人的信念之中。托勒密体系受到挑战，乃至人们对它的信念逐渐发生动摇，是从16世纪开始，由哥白尼、伽利略、开普勒等人通过长久的观测发现了与之相悖的天文学证据才逐渐发生的。这些刚刚走出中世纪的天文学家利用简陋的望远镜长久地望向夜空，成年累月地记录着天体运行的路线。他们发现，并非所有天体都是围绕地球运转，天体运行的轨迹也并不是完美的圆形而是椭圆——唯有用更加简单的日心说代替地心说，超过百年值得信赖的观测结果才能得到合理的解释。最终，一个全新的宇宙观出现了。

可以说，直到日心说被确立，人类文明才真正开始走出神话时代，进入由理性所指引的阶段。尽管距离现代宇宙学的出现还有一段距离，但随着日心说的流行，人类被迫离开神的家园，从宇宙的中心位置被驱赶出来，发现自己只是居住在一颗围绕着太阳运转的行星上。另一方面，现代物理学从诞生之日起就和天文观测有着密不可分的关系。艾萨克·牛顿（Isaak Newton）创立的一套力学体系得以确立，在很大程度上就是依赖由“现代科学之父”伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）开始，一众将望远镜指向天空进行天文观测的学者在一百多年来所积累的数据。天文观测给出了最直观的证据，而牛顿（发明的微积分，也为人类进一步解释天体的运行提供了最精确的数学手段。日心说和牛顿力学体系相互扶持，几乎同时在17世纪得以确立，这是一个实践和理性相互引导的美好故事。

随着一个全新宇宙观的确立，现代物理学很快就在天文学观测中显示出巨大的威力。牛顿的理论在天文学中最辉煌的成就，出现在他去世110多年之后。英国天文学家弗里德里希·威廉·赫歇尔（Friedrich Wilhelm Herschel）在1781年利用自制望远镜进行天文观测时，意外发现了天王星。但随着人们对这颗新行星进行更精确的观测，却发现它的运行轨迹显得时快时慢，总是和对它的理论预测略有偏差。究竟是因为天王星距离太远，观测误差难免过大，还是因为牛顿力学并不完美，预测难免出现疏漏？怀着对牛顿理论坚定的信仰，法国数学家于尔班·勒威耶（Urbain Le Verrier）和英国数学家约翰·亚当斯（John Adams）根据观测数据，各自利用牛顿理论进行计算，几乎同时得出结论：应该还存在着一个尚未被发现的天体，通过引力作用影响天王星的运动轨迹。1846年9月23日，在收到勒威耶的提示后，德国天文学家约翰·伽勒（Johann Galle）用天文望远镜在指定的方位进行寻找，仅用一个小时就发现了海王星的存在！海王星的发现是人类第一次通过理论物理学手段发现一个天体的存在。在此之后，牛顿力学也获得了几乎不容置疑的权威地位。如果说整个宇宙是一架精密运转、永不出错的机械，那么人类就可以通过数学计算，了解宇宙之前或之后每一个位置、每一个时刻的状态！

空间是什么，时间是什么？人类第一次有能力回答这样的问题——不过答案会略显无趣。从牛顿理论的角度来看，整个宇宙空间可以被看作一个空荡荡的盒子。这盒子横平竖直，完全可以在其中架设一个在三个维度相互垂直的坐标系——这样，宇宙中的万物就都有了独特的位置坐标；而时间就像一条永远向前流淌的河流，或是一个永不停歇，永远精准的钟表——无论在宇宙任何地方看一眼这个钟表，它都会给出一个统一的时间。在牛顿看来，无论空间还是时间，都是绝对的。唯有在绝对不容置疑的空间和时间背景下，万事万物乃至日月星辰才得以存在和运动，整个牛顿力学体系才得以成立。

宇宙如此庄严肃穆，绝对时空的观念不容挑战。不仅是太阳系，就连整个银河系——也就是整个宇宙，都必须遵守牛顿理论，永远不会出错。对于这样一种过于机械化的宇宙观，并非没有人提出过疑义：如果空间和时间的性质是绝对且不容置疑的，那么提出这样观念的牛顿本人又是如何得知的？考虑到牛顿自身强烈的宗教倾向，他必然会将绝对时空的出现归结于具有超自然能力的造物主。另外，牛顿描述的无所不在的“万有引力”又是怎么传播的？所谓弥漫在空间中的“以太”究竟是真实存在，还是一种假想出来的产物？如果引力可以超越距离进行传播，人类又该如何理解这种“超距作用”？

关于引力，这种存在于宇宙万物之间，因为质量而相互吸引的神秘作用，物理学家展开了丰富的想象。按照牛顿的设想，光的本质是一种粒子，那么光粒子也难免要受到万有引力的作用。在这种情况下，如果引力作用发挥到了极致会出现什么现象？“如果有一颗天体，它的质量足够大，半径足够小，那么它的引力将会如此之强，连光也无法逃脱。”——法国物理学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）在他1796年的著作《世界体系的展望》（Exposition Du Système Su Monde）中就提出了这样的设想。这种他假想出来的天体，会在约170年后被美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）命名为“黑洞”（Black Hole）。（关于“黑洞”一词的由来，根据惠勒本人回忆，是他在一次讲座中受到了一个听众的启发，从此便采用了这个简单形象的词语。另有记载说有科学记者早于惠勒几年就已经发明了“黑洞”一词。不过科学界普遍承认，正是由于惠勒的采用，才让“黑洞”一词家喻户晓。）恒星因何存在，精确运行的太阳系如何形成？关于天体和星系形成的原因，也不乏有人提出和牛顿完全不同的设想。牛顿认为，就像绝对时空一样，在天空里释放光和热的恒星也只能是由某种超自然的力量塑造的，属于不可被质疑的“永恒”的一部分。与之针锋相对的是，从哲学家伊曼努尔·康德（Immanuel Kant）到拉普拉斯，都从更自然的观点提出了“星云假说”，认为宇宙中的恒星系统都起源于一片巨大的气体和尘埃（星云）。一片星云在引力作用下逐渐开始收缩、旋转，最终形成恒星和行星系统。

在牛顿理论的基础之上，200多年的时间里，除了种种看上去过于理论化而难以验证的概念之争，在天文观测中一些看似细枝末节的问题也始终得不到解决，“水星进动问题”就是其中最为棘手的一个。几乎与发现海王星的同时期，人们就发现了水星的运行轨道也和理论预测的轨道存在偏差。水星沿着椭圆形轨道围绕着太阳运动，但它的近日点并非一成不变，而是会缓慢移动，形成所谓的“进动”。

水星的进动现象，其中一大部分可以通过其他天体的引力对其造成的影响做出解释，但总有一部分没法得到合理解释。勒威耶在1859年首先发现了水星近日点的异常进动——在每百年的时间里有38″（角秒）的进动无法通过经典力学计算给出解释；之后美国天文学家西蒙·纽康（Simon Newcomb）在1882年修整水星近日点每百年的异常进动为43″。

鉴于海王星的发现历史，有人提出水星进动问题是由一个当时尚未被发现的太阳系中的天体引起的，甚至提前将这颗尚未被发现的天体命名为“火神星”（Vulcan）。不过与发现海王星的辉煌成就相比，火神星始终没有被真正发现，水星进动问题也一直是牛顿力学所无法解决的一个小问题。当时没有人会想到，水星进动问题要到20世纪初期才被完全解决，而这个问题的解决又是以传统宇宙观的完全坍塌为代价。全新的理论，生动的时空

进入20世纪之后，人类的宇宙观再一次发生了根本性的变革。这次变革和又一次的“物理学革命”同样联系紧密，不过其过程和上一次有相当不同。第一次物理学革命的发生，本就建立在此前100多年来人们锲而不舍地进行天文观测累积了大量数据的基础之上。而在第二次物理学革命爆发之前，天文观测方面的进展乏善可陈，若以1900年马克思·普朗克（Max Planck）发现量子现象作为第二次物理学革命爆发的标志，看上去这和天文学研究似乎也没什么关系。

在普朗克发现量子现象五年之后，当时还在伯尔尼专利局工作的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）发表了一篇关于光电效应的论文。这篇论文支持了刚刚诞生的量子理论，并在日后为爱因斯坦赢得了一个诺贝尔物理学奖，但它并没有对当时人们已经习以为常的宇宙观提出挑战。况且当年26岁的爱因斯坦很快就对如火如荼的量子理论失去了兴趣，后来甚至走到了这个理论的反面，让很多人感到惋惜。

不过爱因斯坦在同一年发表的另一篇论文，从一个出其不意的角度挑战了绝对时空的观念——处于不同运动状态的人看到的世界是完全一样的吗？这篇论文源于他长久以来思考的一个问题：一个人如果以光速运动，他会看到什么？1905年，爱因斯坦在《论动体的电动力学》（“Zur Elektrodynamik bewegter Körper”）一文中将时间与空间结合了起来，从光速不变的假设出发，论述了时间和空间的性质在很大程度上取决于观测者的运动状态。在这样的理论里，时间和空间被结合在一起，甚至可能出现“钟慢尺缩”等让人难以置信的奇特效应。从这个理论出发，时间和空间的性质如何，在很大程度上取决于观察者自身的状态，“绝对时空”概念被抛在了一边。

接下来的10年里，爱因斯坦走上了一条孤独的道路。他想要解决机械化宇宙观内在的一些更加根本性的难题。而这个想法源于他的一个思想实验：一个处于自由下落状态的人不会感受到自己的重量。从这个“等效原理”出发，经过了10年探索，爱因斯坦在1915年11月25日向柏林科学院提交了题为《论引力的场方程》（“Die Feldgleichungen der Gravitation”）的论文。在论文里，他首次提出了“爱因斯坦场方程”，方程的一边描述时间和空间的性质，另一边描述质量和能量的性质，方程两边由一个等号连接。通过爱因斯坦场方程，人类第一次认识到，空间和时间并非像牛顿力学所描述的那样，是永不变动、不容置疑的背景，而是会和时空内的物质及能量发生相互作用、彼此影响的。这种深刻的观念，把牛顿理论描述的死板、僵化的宇宙模型彻底丢在了一旁。时空跟随能量和物质舞动起来，“物质告诉时空如何弯曲，时空的弯曲告诉物质如何运动”。人类终于拥有了一个足够强大的理论，可以去理解整个宇宙的过去和未来。

是时候塑造一个全新的宇宙观了，首先认识到这一点的正是爱因斯坦本人。在完成了宏伟的理论框架之后，爱因斯坦试着利用自己的理论为整个宇宙勾画出一个全新的框架。对于这种全新的尝试，他一开始显得小心翼翼。他在给荷兰天文学家威廉·德西特（Willem de Sitter）的信里写道：“对我而言，这是一个棘手的问题：相对性概念能否贯彻到底，抑或会导致矛盾？”

上一次人类宇宙观念发生重大转变，日心说取代地心说，是建立在上百年时间累积的大量天文观测数据的基础之上，再辅以理论解释的。而在20世纪的前20年，当时世界上还没有什么大型天文望远镜，无法提供坚实的天文观测数据。爱因斯坦想要提出一个全新的宇宙模型，除了依赖理论公式的指引之外，个人的思维方式乃至想象力都起到了至关重要的作用。也正是理论和天文观测手段之间出现的这个10年左右的时间差，让物理学家的想象力得以无限伸展，造就了许多令人回味的故事。

1917年2月8日，爱因斯坦在普鲁士科学院的每周会议上提交了一篇名为《广义相对论的宇宙学考察》（“Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie”）的论文，开启了利用最新的理论物理学理论进行宇宙研究的崭新时代。我们甚至可以说，这篇论文标志了现代宇宙学的诞生。

不过，当我们在100多年之后回看爱因斯坦当年提出的这个宇宙模型，很难感到满意。首先，爱因斯坦的“新宇宙”和牛顿的“旧宇宙”太过相像。虽然广义相对论展示出时空与物质能量的相互作用，但爱因斯坦仍提出了一个空间封闭且有限，物质均匀分布的宇宙模型，这和牛顿当年的设想是非常相似的。另外，爱因斯坦先入为主地认为整个宇宙是静态的——这难免与他的方程产生矛盾，因为方程显示，整个宇宙很难处在一种静止的平衡状态中。为了让宇宙处于这种平衡态，爱因斯坦不惜破坏自己方程的美感，在其中加上了一个“宇宙学常数”（Λ）——后来，根据宇宙学家乔治·伽莫夫（George Gamow）的记载，爱因斯坦将其称为自己“一生中最大的错误”。

爱因斯坦经过了10年探索，几乎是独自一人创立了改变人类历史的广义相对论，又由此开创了现代宇宙学，这样充满了个人英雄主义的事迹是极其罕见的。但他之后对于宇宙学的见解却多有错误，这是一个非常值得人深思的现象。相比之下，爱因斯坦场方程显示出了比爱因斯坦本人更深刻的见解。在这个方程的引导下，越来越多的人开始对宇宙学研究充满热情，更多鲜活的思想和一个更加生动的宇宙呼之欲出。

1888年出生在圣彼得堡的数学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Fridman）曾在圣彼得堡大学里学习数学和物理学，在研究生阶段他则重点研究数学在气象学中的应用。第一次世界大战期间，他将自己所学应用在战场，为俄国空军预测最佳投弹点。战争结束之后，弗里德曼被爱因斯坦关于宇宙学的论文所吸引，而论文中的“宇宙学常数”很快吸引了他的注意。

弗里德曼发现，虽然爱因斯坦是为了维持一个静态宇宙才添加了这个常数，但是如果让这个常数取不同的数值，宇宙就可能呈现出完全不同的状态。也就是说，在不同的假设下，爱因斯坦所设想的静态宇宙只是众多宇宙模型中的一个不稳定的特例。1922年6月29日，弗里德曼在著名期刊《物理学杂志》（Zeitschrift für Physik）发表论文《论空间的曲率》（“On the Curvature of Space”），他在论文中探讨宇宙可以有不同的演化方式，而宇宙演化源于几个基本因素：宇宙中物质的总量、宇宙常数是否存在，以及宇宙常数在多大程度上主导宇宙的演化。弗里德曼探讨了两种宇宙模型：一种模型是宇宙永远处于膨胀状态，另一种模型则是宇宙处在膨胀、收缩循环往复的状态之中。

爱因斯坦对于弗里德曼论文中提出的宇宙模型感到大为不满。“有关非静态宇宙的结果……对我来说值得怀疑，” 他给期刊的信中写道，“实际上结果表明，该解并不满足场方程。”不过爱因斯坦很快意识到了自己的批评有误，他之后在1923年再次致信期刊：“我之前的批评……是由于我自己的计算错误。我认为弗里德曼的结果是正确的，并带来了新的视角。”

弗里德曼并未止于自己提出的两种宇宙模型。他在1924年继续发表论文《关于一个具有恒定负空间曲率的宇宙的可能性》（“Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes”），提出了一种动态的开放型宇宙模型。事实证明，弗里德曼单纯通过数学推演得出的动态宇宙模型是正确的。但他并没有看到自己的理论推演被天文观测所证实。他在1925年8月因为感染伤寒去世。几乎与弗里德曼同时代，还有一位数学家兼物理学家在仔细研究广义相对论方程。一方面，他得出了与弗里德曼几乎一致的结论；另一方面，通过反向思考，他得出一个更为惊人的结论。他就是比利时数学家、物理学家和宇宙学家乔治·勒梅特（Georges Lemaître）。勒梅特1894年出生于比利时沙勒罗瓦。1914年第一次世界大战爆发之后，他放弃大学学业加入了比利时步兵部队，战争结束后回到大学学习物理学。在1923年，勒梅特实现了自己儿时的理想，成为一名神职人员，之后去剑桥大学天文台跟随著名物理学家亚瑟·艾丁顿（Arthur Eddington）进行研究，之后又搬到美国，在哈佛大学天文台进行研究。

身兼天文学家和神职人员，这样的身份常常让人称奇，不过对于勒梅特来说，天主教和天文学研究之间既无矛盾，也无瓜葛。自从儿童时代，勒梅特就梦想成为科学家和神父：他“对从科学确定性的角度和从救赎的角度探求真理同样感兴趣”，并且认为“基督教科学家可以自由前行，确信他的研究不会与信仰相冲突”。

1920年，勒梅特在美国见证了关于当时天文学难题的一场大辩论：人类早在中世纪就发现的天空中的“星云”，究竟是银河系中的气体和灰尘，还是距离我们极其遥远的独立星系？关于这种天体的真实身份，持有不同观点的人们各执一词，但最终还是需要强有力的观测证据予以确认。另一方面，勒梅特也对广义相对论所展示出的各种宇宙模型产生了浓厚的兴趣。在1927年，勒梅特独立得出了与弗里德曼相似的结论，整个宇宙可能处于动态的膨胀状态。与此同时，勒梅特也听说了一些针对天空中螺旋状星云的观测结果，这些星云正在远离我们而去。他意识到了这很可能正是宇宙处于膨胀状态的证据。

另一个想法更让勒梅特感到激动不已：如果整个宇宙都随着时间而膨胀，那么如果我们沿着时间的反方向回溯，是否存在一个“原点”？勒梅特认为，宇宙存在着一个起源。结合广义相对论和他所了解的量子力学知识，他在1931年发表的《原始原子的假设》一文中提出了“原始原子”（primeval atom）假说。他写道，“我们可以把时空比作一个开口的圆锥形杯子。我们沿着圆锥的母线向上走到顶部，便是沿着时间流逝的方向运动。我们绕着圆锥打圈儿，这便是在空间中穿行。如果我们想象着回到过去，我们就到达了杯底。这里是第一个时间点，它没有‘昨天’，因为已经没有空间留给它的‘昨天’了” 。

勒梅特认为，宇宙有具体的年龄，而一切都始于一个点，在那里物理定律失去了意义。随着宇宙扩张，空间被“原始原子”衰变的产物填充，而引力将逐渐减缓这种扩张，直到达到近乎平衡的阶段。在那个时候，星系及其星系团将通过局部物质的积聚形成。在整体结构形成结束时，扩张又重新加速。

此时仍坚信静态宇宙模型的爱因斯坦无法接受一个动态宇宙的概念。多年之后，勒梅特生动地记述了他和爱因斯坦就这个话题进行讨论的场景：

29年前，我第一次见到了爱因斯坦。他来到布鲁塞尔参加1927年的索尔维会议。我们一同走在利奥波德公园的大道上，他跟我谈起一篇关于宇宙膨胀的文章，那是我一年前写的，几乎无人关注，但一位朋友将它推荐给了他。做出一些肯定的技术评论之后，他总结说：“从物理角度来看，这似乎完全是令人厌恶的。”

为了延长这段对话，陪同他的奥古斯特·皮卡尔邀请我与爱因斯坦一起乘坐出租车，爱因斯坦要去布鲁塞尔大学的实验室。在出租车里，我向他谈起星云（我们现在称之为星系）的退行速度，我感觉他对天文现象了解不多。在大学里，我们用德语进行交流，我惊讶地听见他把我介绍为“勒梅特先生”；我参观了刚从热气球飞行返回的干涉仪，并在大学的金册上签名——爱因斯坦也签了名。

四年后，我又一次在加州帕萨迪纳城市学院见到了爱因斯坦。那次他向我讲述了他对某些条件下宇宙半径趋于零的不可避免性的疑虑。他向我提出一个非常简化的宇宙模型，我毫不费力地为他计算出能量—动量张量。这次交流让我深刻体会到他思考问题的方式，以及他如何通过选取恰当的例子来果断地做出决断。他最后得出结论：他原本设想的“漏洞”并不存在。

无论爱因斯坦——这位人类历史上最伟大的物理学家是否接受动态宇宙，随着越来越多的观测证据的出现，这个概念开始被越来越多的人所接受。爱因斯坦被他的方程和时代超越了。进入到20世纪20年代之后，随着人类进行宇宙观测的手段逐渐丰富，以宇宙本身为研究对象的现代宇宙学诞生和发展起来。一个远超人们之前想象的复杂且鲜活的宇宙逐渐呈现在人们眼前，而一同随之而来的，则是关于宇宙“暗面”的更多谜题。