「外国名人故事:天文学家篇」勒梅特

勒梅特简介:

勒梅特1894年出生于比利时的沙勒罗瓦,他的主要著作有《论宇宙演化》和《原始原子假说》。

「外国名人故事:天文学家篇」勒梅特插图

勒梅特曾在比利时鲁芬大学学习建筑工程专业,后参军服役。第一次世界大战期间,勒梅特作为土木工程师在比利时军队中担任炮兵军官。战后进入神学院并于1923年接受神职,担任司铎。1923~1924年间在剑桥大学太阳物理实验室学习,后到美国麻省理工学院学习,在那里他了解了美国天文学家E.P.哈勃的发现和H.沙普利有关宇宙膨胀的研究。在1927年任卢万大学天体物理学教授,1966年,勒梅特在鲁芬逝世。

勒梅特根据施瓦西度规通过坐标变换得到勒梅特度规,这是一个引力作用下的自由下落度规。这个度规是勒梅特宇宙模型的基础。其后罗伯逊与沃克发展了勒梅特度规,得到更高维度(三维)对称的罗伯逊-沃克度规,作为伽莫夫提出的大爆炸宇宙模型的度规基础。勒梅特还研究过宇宙射线和三体问题,三体问题是用数学方法描述三个互相吸引的物体在空间中的运动。

1927年,勒梅特教士发表了他的主要研究成果:均质的宇宙质量不变,半径不断增加,并阐明了银河外星云的径向速度,就如何对当时的两种相对论进行两难选择提出了解决办法,一种是爱因斯坦的相对论,认为宇宙“饱和”“静止”,另一种是德西特的相对论,认为宇宙在膨胀,但里面没有物质!

不久之后,他于1931年对自己的成果加以补充,提出他的宇宙起源假说的雏形,即原始原子。根据这种假说,现在的宇宙在不断膨胀,它起源于一个原子的放射性裂变。勒梅特的想法与一些根深蒂固的偏见相抵触。虽然对空间和时间的看法起了变化,虽然宇宙一般处于静止状态作为不言明的宇宙学公设被人接受,但是,要等到1929年,即勒梅特的第一篇文章发表两年之后,哈勃和赫马森才公布一个星系退行的速度和它的距离之间的关系。这一次,宇宙膨胀的问题不是由一位宇宙起源学理论家来提出,而是由进行观测的天文学家来提出。

但是,是否应该把谱线红移看做远离的运动的标志?有些人曾否定过这点,有几个人仍对此持否定态度:其他的物理学原因被提了出来,但是,与“退行”的假说不同的是,这些其他原因要么不能阐明观测到的所有效应,要么使人预见到一些至今尚未观测到的效应。

勒梅特从数学家对可能无限和实际无限的推理出发,来了解众多恒星是有限的还是无限的。他的结论是,恒星的数目是有限的。但是,由此是否能推断出恒星之间的空间是有限的?

结论并非完全是直接得出的,因为如果说恒星是实际存在的,用测量空间来对它进行划分只是潜在的可能。尽管如此,十分明显的是,如果几何定律在不做过大改变的情况下能在恒星世界中成立,就能从恒星数目有限中得出结论,认为包含所有恒星的凸多面体的体积有限。

这种推断得出的主要假设是,阿基米德原理可用于两个恒星的距离,这就是说,如果连接这两个恒星的一条线是有限的长度,那么就可以用有限数的运算来算出这个路程。如果恒星之间有距离的关系,那么,它们所包含的体积就是有限的。

大量恒星扩展到几千秒差距远的地方,形成一种圆盘,其宽度为高度的十倍。圆盘之外有什么?我们将在片刻之后看到,天文学大大扩展了宇宙体系,使我们隐约看到在奇远无比的距离之外的巨大星团和银河外的星云。但是,在这些之外,我们是否能够达到,是否应该希望达到最后一个星云,达到位于世界边缘的最后一个恒星?

可以设想一个凸多面体,其顶点有最后几颗恒星,多面体里包含着其他所有恒星。只要这最后几颗恒星同其他恒星有距离的关系,我们就能像刚才解释的那样肯定,这个多面体包含的体积是有限的。这个多面体包含所有的恒星或所有的粒子,不管其性质如何,它们的物质已经形成。这个多面体之外什么也没有。宇宙看来是一个物质的气泡,沉入虚无的海洋之中。

无物质的空间是什么?这个问题涉及最困难、争论得最多的哲学问题之一:什么是空间?我们不想在如此危险的地方往前走,但我们可以看到,主要的哲学体系虽说在许多方面存在着根本的分歧,却都是根据物质来确定空间。我们传统的哲学认为,空间是物体广延的一种抽象,是有形体的实体的一种偶有属性,只能在有物质的地方被理解,无实体的定位偶有属性是无法想象的。康德的体系通过另一条途径得出同样的结论。空间是现象的形式,没有现象它就不能被想象出来。根据这两种哲学的任何一种,我们都可以说空间在物体之中,完全虚空的空间只能是虚无,因此并不存在。

在研究了有限但无边界的均质空间的几何特点之后,勒梅特对空间和物质的关系进行研究,这种关系迫使他抛弃了欧几里得几何。

根据相对论,引力的效应之一是改变空间的特点。在太阳或恒星这样的天体近旁,几何就不是欧几里得的,因为人们说空间有某种曲率……。决定几何特点和重力特点之间的这种相关的方程式包含一个参数,其重要性在行星运动这种尺度较小的现象中不会显示出来,但在研究整个宇宙时它的作用就变得极为重要。因此,它被称为宇宙常数。

在相当大的尺度内,物质均匀地分布在宇宙之中。在宇宙常数和宇宙密度之间存在着一种关系。这两个量是成正比的。既然有物质,宇宙常数就不可能是零,必然是正数。宇宙常数的值决定空间的几何特点,宇宙常数如是正数,其结果是空间为椭圆形,另外这还决定宇宙周长。

这样,宇宙周长还同物质密度的平方根成反比。这种值得注意的关系是爱因斯坦发现的,能使我们对空间的大小有一个概念。物质密度是一种量,就可以凭经验来认识它,即通过对邻近区域发生的事进行观测来认识它。“邻近区域”,意思是十分巨大的空间,就是用研究手段能观测到的那样大,但同整个宇宙相比还非常小。

根据爱因斯坦所说的关系,半个宇宙周长,即空间中最大的距离,同密度的平方根成反比。按太阳每立方秒差距的密度来计算,半个宇宙周长将是二百万秒差距。在一个五十万秒差距的立方中平均有一个星云,每个星云同两亿五千万个太阳一样大。

因此,物质密度为500/0.25等于太阳每个立方秒差距的五亿分之一。计算平方根,则半个空间周长是二百万的两万两千倍,即四百亿秒差距,是用望远镜能观测到的距离的一千倍。

勒梅特认为不必掩盖这些估计的近似性,并提出了宇宙维度不变这个最根本的问题。另外,爱因斯坦的宇宙理论同意空间匀质的假说,这种假说非常合情合理,没有一开始就提到这种假说,即宇宙周长不因时间而变化,换句话说,宇宙是静止的。看来有十分明显的迹象表明,这种非常合情合理的假说实际上并未得到证实。

荷兰天文学家德西特发展了一种以相对论为基础的宇宙理论,其缺点是从根本上认为宇宙不包含任何物质,但却阐明了一种极为有趣的现象。

星系光谱线普遍红移的现象如被解释为多普勒效应,则表明所有的星系都在离开人们远去,它们离的距离越远,退行的速度就越快。如果星云都在离开星系,那么,这仿佛说明,星系是宇宙的中心点,具有特殊的性质。奇怪的是,智慧之地要用具体的特点显示出来。它既不是恒星的局部体系的中心,也不是星系的中心,惊讶的是,它是星云体系的中心。

这种结论看来违背了一种宇宙学原理,这种原理认为,宇宙中没有特别好的视点,但勒梅特立刻加以纠正:只须认为,星云在空间的布局仍然相同,但空间的性质随着时间变化,宇宙周长是可变的,随着时间增加。于是,两个星云的距离仍是宇宙周长的同一部分,因此像宇宙周长一样增加。任何两个星云都相互远离。事情的发生有点像位于肥皂泡表面的微生物看到的那样。当肥皂泡膨胀时,每个微生物都会看到它附近的微生物离它远去。它的样子像是一个中心点,而且只是一个中心点。

因此,宇宙在膨胀,所有观测都证实了这一假说,假说使思想追溯到时间的起始,并立刻就想象出宇宙的起源,当时的宇宙即使不是点状,至少也极为稠密。

原始原子假说是一种宇宙起源假说,根据这种假说,世界起源于一个原子的放射性裂变。设想原始原子均匀地充满着半径很小(从天文学角度来看)的空间。因此就没有表面电子的位置。

这种原子根据设想只存在了一刹那的时间,它确实是不稳定的;从它存在时起,它就分裂成小块,这些小块也各自分裂;在小块之间出现电子、质子、小粒子等。因此空间的半径迅速增大,而原始原子的那些碎片仍然均匀地充满着空间。

在空间膨胀的第一个阶段,从一个几乎是零的半径出发沿渐近线行进,会遇到处于辐射中的速度巨大的粒子,其总能量可能在原子的单位重量能量中占据很大的部分。空间的这种迅速膨胀的结果是使辐射变弱,同时也使原子的相对速度减慢。

因此,我们至少在局部上开始看到静态平衡,即气体云的形成。这些气体云都有很高的相对速度,并与辐射混杂在一起,而辐射也已因膨胀而减弱。

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