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五十亿年的孤寂:最终,我们都会迎来最后一次的哥白尼降级

2020-06-16 | 浏览: 2886

在一七一六年的《皇家学会报告》(Proceedings of the Royal Society)中,英国天文学家爱德蒙.哈雷主张,金星凌日可以提供一个绝对的地球参照点,让我们测量宇宙尺度的距离和星球大小。他写道,金星穿过太阳的轨道,会因为在地球上不同地方观看,而有小幅差异,也会改变凌日的时间长度。若在两个相隔甚远的地方精準地测量凌日时间的差异,就可以透过三角测量法,得知地球与太阳的距离。根据这点,只要简单的算式就可以得出太阳的真实大小,以及每颗行星的轨道距离,而展现太阳系的物理性质。

在快要接近凌日(一七六一年)的那几年,欧洲各国组织了一百多支队伍,前往世界各个最遥远的角落,试图进行哈雷所主张的测量。这是有史以来第一个盛大展开的国家赞助国际科学活动,也是一次极大的失败。天文学家用船只、雪橇和马背,把精细的装备载运到能看见凌日的蛮荒地带,但往往抵达目的地时,才发现货物早就破碎变形而无法修理。战争、疾病和恶劣天候,让许多尝试早在凌日实际发生前就遭遇挫败。至于从散布各处考察地点传来的测量结果,都有诸多错误且又彼此矛盾,无法发挥效果。

在所有企图研究一七六一年金星凌日的天文学家中,没有一个比法国的吉优姆.香提(Guillaume Le Gentil)还倒霉的。香提在凌日前一年就离家,前往印度的法国殖民地。他离开后,英法之间开战,而他的船只被暴风远远吹到航线之外。当他终于在凌日前几天抵达印度水域,拿下法国殖民地的英军却禁止他上岸。香提不得不离岸观察一七六一年的金星凌日,然而起伏的海面使他无法精準测量。但他仍坚忍地留在亚洲,等待下一次的凌日。历经八年的坚苦卓绝,到了一七六九年,他已在印度建好一间小天文台,用来记录这个事件。

到了预定的一七六九年六月四日前夕,一切準备就绪,天气晴朗。然而,一阵薄雾却在夜里不祥地累积,然后在晨光中蒸散。就在金星开始通过太阳前的几分钟,一团厚云滚了进来,一直到下午凌日结束后没多久才散开。香提短暂陷入一阵语无伦次的神经错乱,一阵子后恢复冷静,便展开漫长的返乡之旅。他的回程先因为痢疾而脱轨,接着又遇到一场飓风几乎吹沉他的船。当香提两手空空于一七七一年回到睽违了十一年半的巴黎,他发现过往的生活已全然分崩离析:他被宣告死亡,财产也都被分光了。

其他人在一七六九年要比香提幸运许多。海军上校詹姆士.库克(Captain James Cook)在继续启航为英国政府在南太平洋标记并夺取岛屿之前,先在大溪地的山坡顶上,替英国皇家海军和皇家学会成功记录了金星凌日。一位叫做大卫.黎顿豪斯(David Rittenhouse)的天文学家,在美国费城的自家农场,替美国哲学会(American Philosophical Society)记录了凌日,首度将这新崛起的殖民地科学社群送上世界舞台。据说,黎顿豪斯做为天文学家,因为性格过度纤细,受不了凌日出现的那一瞬间而昏倒,而在官方纪录上留下一段令人费解的空白。

将这些测量结果和广布全球的考察结合起来后,天文学家敲定了地球与太阳的距离——天文单位(Astronomical Unit,AU),为一亿五千万公里。至此,天文学家们在校準太阳系大小(以及从中校準宇宙大小)上,终于有了一个确实的基準。哥白尼革命因此得以前进。

如今天文学家知道,地球绕行太阳时,拉出了一条大约二点九九亿公里的基準线,并回顾古代阿里斯塔克斯的视差测量,开始测量恆星的距离。年年月月过去,不少周遭的恆星都因为从更远的「固定」恆星前面移动过去,而显露了它们的距离,就像是低飞的鸟儿,当以更宏大的喷射客机飞过头顶高空的画面为背景,咻地一声就从头顶飞过你的视野。到了十九世纪中期,天文学家已定期测量星球视差,确认天空中几乎所有恆星至少都在几十光年以外。我们的太阳系自此陷入永恆的缩减循环当中,在这个每次在测量上一有新进展就会变得更大的宇宙中,所佔据的那一区块就会不断萎缩。

在二十世纪的头几十年,美国天文学家建立了下一个哥白尼降级(译注:哥白尼提出地球非宇宙中心,把地球降级为一个普通的行星。而持续的天文学发现显示,无论地球、太阳或银河系,统统不是宇宙的中心。)的星球视差基础,并打造了现代天文学的领域。首先,银河的星团空间分布显示,我们的太阳系并不如许多人所相信的,位于银河系中央,而是位在银河系的外缘地带。

接着,美国天文学家哈伯发现,我们的银河系是众多星系中的一个,并发现天空中几乎所有其他星系,都正在以离谱的速度彼此远离。宇宙遵循着爱因斯坦藉由相对论所阐明的轨迹,正在不断扩张中。再一次地,在接下来测量出来的最大尺度中,人们证实宇宙其实比任何人先前胆敢主张的都还要更大更奇异,而我们绝不在其中心。

同时,回到相较之下极小的尺度,在恆星和其行星的领域中,哥白尼革命停滞了。标定周遭恆星的天文学家逐渐发现,我们的太阳完全不是个典型恆星,因为周遭大部分恆星都是些较小较暗、红色或橙色的矮星。或许太阳系本身也非典型,因为系外行星的存在并没有取得扎实的证据。许多天文学家开始相信,我们的太阳可能拥有一套在整个银河系中极其少数的行星系统,儘管到了二十世纪中,越来越多的间接证据指出恆星普遍有行星绕行。

太空时代对金星、火星和太阳系其他显然无生命的行星所做的惊人揭露,还是给了地球一点点过去的柏拉图式光彩。接着,系外行星热潮来临。对许多现代的行星猎人来说,寻找另一个太阳系的生物圈,变成一项在哥白尼「平庸原理」之上安放最后一块顶石的任务,好让「哥白尼革命」登峰造极。最终,我们的行星和其上所有生命都会面临最后一次的降格——降格为宇宙中随便哪里都有的充满生命的寻常世界。


不过,若不管令人烦恼的生命起源未解谜题和类地行星的未知数量,宇宙学的先驱者近期已在哥白尼原理的平庸性里,发掘出新的困难。可观测的宇宙绝大部分看来是一无所有的空间,这顶多提供了百万分之一的机会,让你随机发现自己在一个星系中。有鉴于宇宙正逐渐扩张,这机率只会随时间变得更低。神秘的银晕(halo)、纤维状结构(filament)和「暗物质」乌云,似乎不受宇宙中所有力量的影响(除了重力以外),而让众星系与星团结合在一块。

一个星系的内部通常是虚空的,平均来说,每立方公尺有一个质子。如果一个星系的众恆星都跟沙粒一样大,那幺两恆星之间的平均距离会到好几英哩。一个星系中只有最少部分的星际物质,会无时无刻凝聚成像氢原子那样複杂而高等的东西。光是成为任何一种寻常物质——一个分子、一缕气体、一块石头、一颗恆星、一颗行星,或者一个人——的一部分,就已经是一件可观且机率奇低的成就。

物质在如此庞大虚空中的明显独特位置,因为宇宙的持续演变而更为孤立,其未来似乎是朝着更荒凉的轨迹演进。在可观测宇宙边际对超新星爆发的调查显示,星系之间的空间不只扩张,其扩张本身还受到一种宇宙学家尚只能称之为「暗能量」的神祕力量所推动,而持续加速。除非宇宙不知为何停止加速扩张,不然宇宙在遥远的未来将会比现在更孤寂而空蕩:除了称为「本星系群」(Local Group)的少许星系与银河彼此之间会因重力而互动,其他所有目前能在空中看到的星系,日后都将被扫出我们可见宇宙的地平线外。本星系群的星系,最终也会因为里头的恆星一颗接一颗燃烧殆尽,而在几百亿年后变暗。

接下来,好几十沟(decillion,十的三十三次方,真的是非常长的时间)年之后,质子——原子结构的基石——也会彻底衰退为辐射而消散。随着这过程发生,最后残存的熄灭恆星和结冻行星都会化为乌有。宇宙将变得不可理解的黑暗、离散、寒冷,而我们本星系群过去存在的这一小块区域,仅存的宏观结构会是几个超级质量的黑洞,且会慢慢因量子力学效应而蒸发。终于连最后一个黑洞缩小并消失于阵阵量子泡沫中,那时剩下来的就只有一股股微弱的质子、电子和微中子,无止尽地流经无限扩张的空虚。

或许,在这种凄凉惨淡的未来中看不出生命的希望,就只是缺乏想像而已。又或者,我们预测的宇宙演化是反哥白尼平庸性的预兆;这预兆显示,这个星系丰富、恆星明亮、行星充满生机的光明时代,从万物初始后开始算起(以宇宙尺度来说)其实没过几分钟的时间,其实还蛮特别的。

当宇宙的未来挑战着哥白尼原则的预期之同时,宇宙的过去也形成挑战。大霹雳背后的基本想法,也就是关于宇宙过往的顶尖科学解释,指出宇宙的起源是单一一个密度未必很高的点,不知为何在一百三十八亿年前爆发性地扩张。这可不太「哥白尼」。更有问题的是,大霹雳本身也被宇宙结构所挑战。在原子、行星、恆星、星系和星团的粒子特质之外,在天文学家可测量的最大尺度上,宇宙似乎异常地平整。

这个大规模的平整符合哥白尼的预测,但又令人恼火,因为就算是早期宇宙个别区域之间最微小的扩张差异,都应该导致当前结构的大幅偏差——例如说,出现缺块、皱摺之类的结构。但目前在可观测宇宙中最远的两头区域,在结构上似乎是一模一样的,儘管因为彼此太遥远而无法有所连结,但其结构几乎毫无瑕疵地平整。连光线都没能在两者之间经过,更不用想这相隔两地的宇宙区块,能传递什幺让彼此达到平衡的资讯、能源或热量。

针对这难题,最先进的宇宙学解释是大霹雳理论的附加论点「暴胀」(inflation)。假定在宇宙诞生后的一瞬间,当一切都挤在一个极高温、极高密度但大小可能只有一个质子的範围内,一个激烈、神秘的反斥重力爆发,突然把空间「膨胀」到可能一个葡萄柚那幺大。这听起来挺小的,但这代表的是体积将近十兆兆倍的飙升。任何较大的不均衡都可能被这加速扩张给抹消了,就像气球橡皮表面上的皱褶因膨胀而消失一样。根据暴胀模型,还留下来的较小型不完美,来自于大幅放大的量子波动,并在早期宇宙中形成了小型的高密度区块,而星系和星团就是在那里凝聚的。

暴胀的问题在于,一旦开始了就没办法简单停下来。有些研究者甚至推测,暗能量可能是初始暴胀的一种古怪回音或阴影,藉着某种方式在几十亿年的休止后回来了。儘管初始暴胀可能会快速衰退,并在空间的某个局部地带(例如我们整个可观测宇宙)静止,但因为它让扩张的速度提得太高,它应该会在我们可见宇宙的地平线外,拉出极大数量的泡状空间。确实,一个扩张远远超出我们可观测宇宙地平线的宇宙,是初始暴胀的标準结果。在那个以指数方式扩大、甚至可能无限的容量中,更多的暴胀大霹雳就算极不可能发生,还是可以一而再再而三地出现。

每一次,又一种没有尽头的分歧扩张得以产生。一旦暴胀开始,似乎就注定要永远走下去,产生无限个碎形整体(fractal ensemble)的平行泡沫宇宙,每一个都和其他相关,但因果上彼此区隔。这许多宇宙注定不会相交会,因为两宇宙之间的持续暴胀将彼此推开的速度,高过它们边界的交会,就像是急流中稍纵即逝的泡泡一样。不同的泡泡之间,从暴胀扩张的热烈浑沌中冻结出来的物理定律,可以和主宰我们所处宇宙的物理定律截然不同。

在某些小碎片中的物理定律,可能和我们的定律完全或几乎一致,那些区域就比较有可能会产生星系、恆星、行星和生命。在其他区域中,自然法则截然不同,无法让我们所知的生命形式存在。暴胀的「多重宇宙」理论,因此在当代宇宙学中,通常用来解释那些存在于我们的宇宙中,看起来安排得当而能让生命产生并持续的神秘基本特质。

在某些物理定律会妨碍生命产生的夭折宇宙中,并不会出现恆星。某些宇宙则不会有原子,就算有也可能因为扩张或收缩得太快,而在瞬间就不复存在。也有些宇宙包含的物质和反物质正好完全相等,因此会相互抵消为一道能量,结果除了高温辐射场和真空外,什幺都没留下。在我们假想的多数宇宙中,似乎都难以想像有观测者的存在。那些宇宙中不会有活物向外探视周遭,并思考这一切是怎幺开始的。在这种叙述中,我们周遭所见的宇宙当然适于生存,不然我们就不会在这里。

目前还没有人设计出万无一失的方法来测验这些想法——到底要怎样才能侦测到在定义上所谓的「我们永远不可企及的宇宙」?如果这是真的,那幺一个暴胀的多重宇宙,便会让哥白尼式的想法有着混乱的结果。另一方面,这代表我们这整个可观测宇宙,只是一百三十八亿年前从大霹雳暴胀出来的更大宇宙之极小部分。这大上太多的宇宙,本身也只是无限全体宇宙中的一个而已。所谓的无限既然是无限,那幺多重宇宙就应该会有无穷数量的生命活在无数颗行星上。

另一方面,不能支撑生命的无限个泡沫宇宙,还是会比能支撑的无限要大。与平庸原理相违,一个暴胀多重宇宙主张,我们所在的宇宙是个包含在更大暴胀领域内的非典型泡泡,是「能有生命的独特宇宙子集」中的一分子。我们观测的物理定律,在这个子集中是否为「平均」,没有人能保证。一颗行星、一颗恆星或一个星系,可能就像产生它的宇宙一样独特而珍贵。

仔细思考永恆暴胀就会发现,其实当代宇宙学又回到了两千五百年前希腊原子学家就已经在构思的某些信条;德谟克利特想必会笑我们怎幺过了这幺久才想到。在遥远的未来,当我们自己的宇宙衰退至阴暗、冰冷的老年期,坚持到最后的生命也许能藉由相信「远在天边、越过宇宙地平线的某处,造物仍未停止,仍在产生新生命、新行星和新宇宙」,而得到一些安慰。「希望」可以生生不息。

►把四十五亿年的浩瀚放在月曆上:差不多午夜前一秒钟,地球进入了人类世

书籍介绍

本文摘录自《五十亿年的孤寂:繁星间寻找生命》,八旗文化出版

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作者:李.比灵斯(Lee Billings)
译者:唐澄暐

46亿年来,地球这颗充满生命的行星在寂静浩瀚的宇宙里,始终孤单存在。为了打破这种孤寂的局面,过去几十年来,天文学家成为行星猎人,寻找宇宙中的其他生命或文明,将望远镜朝向几百万年之遥的恆星,为了是要找到跟地球条件相似的类地行星。他们相信(或期待),在这些系外行星当中,一定至少有一颗行星如另一颗地球般确实存在,那幺寻找到如同我们人类一般的智慧生命,便不再希望渺茫。

科学记者李.比灵斯,藉由深度访谈寻找系外行星这领域第一线的天文学家,探索这股「系外行星热潮」。在这场探索旅程中,不仅描绘刻画了近五十年行星天文学的发展轮廓,也探究了这些穷尽一生寻找繁星间的生命,投资与报酬却不成比例的天文学家,他们执着追梦,以及失望和希望不断交替的动人故事。

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