第5章　把影片倒着放

第44夜：满是检查清单的一天

努尔的第四十四天几乎全都花在了检查清单上。一周后，她和托马斯将出舱进行一次太空行走，去更换空间站框架外侧一个磨损的部件。一次太空行走通常持续六七个小时，其中几乎每一分钟都是事先计划好的。今天是准备日：检查两套航天服，给它们的电池充电，测试它们的无线电，把需要的每一件工具都摆放好。

航天服其实是一艘做成人形的小飞船。它把空气保持在安全的压力下，清除穿着者呼出的二氧化碳，用流过内衣里细管的水来给身体降温，还能抵御强烈的阳光和阴影中的深寒。努尔和托马斯慢慢地逐一检查每个部分。手套要检查有没有最细小的划口。头盔灯要测试。每件工具都系上一根短绳，叫作系绳，这样就不会有任何东西飘进太空。

对身体也有一些规定。出舱前，乘组要长时间吸纯氧，以排出血液中的一部分氮气，因为航天服里的气压比空间站里低。如果没有这一步，身体里可能会形成气泡，有点像打开一瓶汽水时冒出的那种气泡。地面团队把这个过程的每一步都写进了检查清单。托马斯大声念出每一行，努尔照做，说一声“完成”，他再念下一行。

下午，他们穿上航天服，在空间站内部进行一次演练。穿上航天服要花很长时间，还需要另一个人帮忙，所以阿德轮流帮他们俩连接软管，把头盔环锁定到位。在航天服里，世界变得安静了，唯一的声音是风扇的嗡嗡声和无线电里的说话声。努尔练习用戴着僵硬手套的手指握住工具的把手，托马斯则练习他们打开舱门、检查系绳、沿着扶手向外移动的顺序。地面上有一个声音跟着每一个步骤，提出问题，确认每一个回答。等他们终于脱下航天服时，两个人都满身是汗，饥肠辘辘。

到了晚上，两套航天服都准备好了，挂在那间叫作气闸舱的小舱里，像两个高高的白色身影。努尔感到一种舒服的疲倦，就像做了一整天不容出错的细致工作之后的那种感觉。睡觉前，她把第二天的计划读了一遍，又把太空行走的计划从结尾往开头再读了一遍。这个习惯是托马斯教她的：一旦你顺着读熟了一套程序，就倒着再过一遍，看看每一步是怎样依赖于前一步的。

倒着读检查清单，让她想到了今晚的故事。在之前的一个夜晚，她告诉过萨米，星系正在彼此远离。今晚她要做天文学家接下来做的事：把影片倒着放，看看它会通向哪里。

倒带时会发生什么

想象你有一部宇宙的影片，它记录了几十亿年的时光，而你把它倒着播放。在正放的影片里，随着星系之间的空间不断伸展，星系渐渐彼此远离。在倒放的影片里，它们渐渐聚拢。你倒回得越远，它们就靠得越近。如今相隔几亿光年的星系群，在遥远的过去，离它们的邻居要近得多。

继续倒带，另一件事就发生了。星系本身是由恒星、气体和尘埃组成的。随着影片倒放，所有这些物质被挤进越来越小的空间里。而物质被挤压时就会变热。你从打气筒上就知道这一点，用力打气时它会变暖；或者从给轮胎快速充气时，胎里的空气会变热上也能知道。在倒放的宇宙影片里，这种挤压远远超出了任何打气筒所能做到的程度。宇宙变得越来越热。

在倒带的某个时刻，宇宙热到恒星和星系根本无法存在。再往前，它甚至热到连原子都无法存在。一切都是由微小粒子和光组成的炽热发光的混合物，比太阳的中心还要热得多。把影片倒回到大约138亿年前，宇宙热得、密得让我们现有的物理定律再也无法有把握地描述它。我们所知道的这部影片，就是从那里开始的。

这就是“炽热开端”这一想法背后的基本推理。它不是建立在猜测开端是什么样子之上的。它建立在这样的做法之上：拿我们今天所看到的东西，也就是膨胀，用已知的物理定律仔细地向前回溯。每一步都可以检验。这个推理能不能预言出我们今天真的能找到的东西？在接下来的夜晚，我们会看到它确实能。但在哈勃的发现之后的那些年里，这一点还不清楚，而且许多科学家对“开端”这个想法感到很不自在。

倒带能被信任到多远，也是有限度的。对于科学家能在地球上、在实验室和大型机器里创造或测量的温度和密度，物理定律都经过了充分的检验，沿着影片回溯经过这些条件是相当可靠的。超出这些条件，推理就变得不那么确定了，而到了最开始，它就完全失效了。所以关于开端的故事，对于那些与我们能够检验的条件相符的部分，讲得最有把握；越接近最初那一刻，讲得就越谨慎。在后面的夜晚，我们会逐一来看这些阶段。

原初原子

第一个认真对待这种倒带的人是乔治·勒梅特，就是那位早在1927年就提出宇宙正在膨胀的神父兼物理教师。1931年，他走得更远。他写道，如果宇宙正在膨胀，那么在遥远的过去，它一定非常小、非常致密。他提出，宇宙起源于一个单一的、极其致密的状态，他把它叫作“原初原子”。他想象这个最初的状态碎裂开来，就像一个非常大的原子分裂成更小的碎片，而宇宙就是从这些碎片中成长起来的。

勒梅特的细节并不完全是今天所公认的那样。他没有后来才有的关于粒子和原子的知识，他对最初状态的描绘也与现代的描绘不同。但他的主要想法是对的：宇宙有一段历史，在这段历史的开始，它处于一种非常致密的状态，和今天截然不同。他是第一个明确指出膨胀指向一个开端的人。

值得留意的是勒梅特是个什么样的人。他是一位神父，同时也是一位科学家和教师。当时有些人认为，他关于开端的想法可能来自他的宗教。勒梅特本人则小心地把两者分开。他把宇宙的开端看作一个物理问题，要靠证据来判断，他也没有用它来证明或否定任何信仰。对今天任何思考这些问题的人来说，这都是一个很好的榜样。科学可以描述宇宙是怎样变化的。而关于意义和信仰的问题是另一类问题，每个人都以自己的方式去面对它们。

起初，许多科学家并不喜欢“开端”这个想法。一个一直存在、没有任何起点的宇宙，在他们看来更简单、更自然。还有人提出反对，说根据哈勃早期测量计算出的宇宙年龄太短了，甚至比地质学家测得的地球年龄还要短。这个问题来自哈勃的距离太小，等距离得到修正后，问题就消失了。但在好几年里，它让“开端”这个想法显得很可疑。

一个没有开端的宇宙

1948年，一群科学家提出了一个与之对立的想法。他们承认星系正在彼此远离。但他们提出，宇宙没有开端，也不会有终结。他们说，随着星系散开，新的物质会在它们之间的空旷空间里非常缓慢地出现，慢到谁也无法直接察觉，也许在极其漫长的时间里，这里那里才出现一个原子。新的星系就从这些新物质中形成，填补空隙。在这幅图景里，宇宙在任何时候平均看起来都是一样的。它被称为稳恒态理论。

稳恒态的想法并不愚蠢。它很巧妙，经过了仔细的推敲，还做出了明确的预言，而这正是一个好的科学想法应该做到的。它的支持者们喜欢它不需要一个神秘的最初时刻。它最有名的支持者之一是弗雷德·霍伊尔，一位天文学家，同时也是一位很受欢迎的作家和电台里一位生动的讲演者。在后面的某个夜晚我们还会再遇见他，因为他在理解元素如何在恒星中形成这件事上也做出了巨大的贡献。

正是霍伊尔给那个与他对立的想法起了那个著名的名字。1949年，他在一次电台讲话中，把炽热开端的想法描述为一场“大爆炸”。许多人说，他起这个名字是为了取笑这个他不赞同的想法。霍伊尔本人后来说，他只是想给听众一个生动的画面。不管他的本意是什么，这个名字流传了下来，如今到处都在使用，连科学家也在用，用来称呼那个他曾希望被证明是错误的想法。

于是，到了20世纪50年代初，关于宇宙有了两幅严肃的图景。在一幅里，宇宙开始于一种炽热、致密的状态，从那以后一直在变化。在另一幅里，宇宙没有开端，看起来永远都一样。两者都与哈勃发现的膨胀相符。要在它们之间作出选择，科学家们还需要更多的东西：一条一幅图景预言了、另一幅却没有预言的线索。

回头看时，很容易把这个故事里的人分成赢家和输家。但科学真正的运作方式并不是这样。稳恒态理论迫使炽热开端的支持者们把自己的想法打磨得更锐利，更努力地去寻找证据。它的支持者们提出的问题，引出了许多有用的工作，其中就包括霍伊尔本人关于元素的伟大工作。一个经过仔细论证的对立想法并不是敌人。它更像是一位同事，专门提出其他人都宁愿回避的难题，就像任何团队里总是会问“可是我们核实过了吗？”的那位同事。

用证据来解决

这两幅图景对过去做出了不同的预言。在稳恒态的图景里，宇宙一直看起来都一样，所以非常遥远的星系，也就是我们看到的它们很久以前的样子，应该和近处的星系差不多。在炽热开端的图景里，宇宙随着时间在变化，所以遥远的、早期的宇宙看起来应该和今天的宇宙不一样。

一项检验来自射电天文学，它在20世纪40年代以后发展得很快。射电望远镜能探测到发出强烈无线电波的星系。20世纪50年代和60年代初，射电天文学家清点这些射电源时发现，远处的，也就是很久以前的射电源，似乎比近处的更多。过去的宇宙看起来和今天的宇宙并不一样。这对稳恒态的图景来说是一个问题，尽管它的支持者们对如何解读这些计数还有争论。

1963年，另一项发现让这个问题更加严重了。天文学家发现了一种新的天体，它极其明亮，又极其遥远，后来被称为类星体。今天我们知道，类星体是遥远星系那明亮夺目的中心，那里有大量的气体正落向巨大的黑洞。对这场争论来说，重要的是在哪里发现了它们。类星体出现在非常遥远的地方，也就是很久以前，但在我们附近并没有那种类星体。很久以前的宇宙有它们，而今天的宇宙没有。过去看起来又一次与现在不同。

炽热开端的图景还做出了一个更加惊人的预言。如果年轻的宇宙非常炽热，那么它就会充满发光的光，就像熔炉的内部一样。随着宇宙膨胀、冷却，那些光并不会消失。它会被拉长、减弱，但今天应该仍然存在，充满整个空间，从每个方向而来。1948年，几位物理学家预言了这种残留下来的光。如果有人找到了它，稳恒态的图景就很难解释了。

在这个预言提出之后的十五年多里，没有人认真地去寻找它。当时的仪器灵敏度还不太够，而且许多科学家也没有很认真地看待这个预言。然后，在1965年，它几乎是偶然地被两位工程师发现了，当时他们正想解决一台天线的一个实际问题。这个发现，也就是宇宙中最古老的光，就是这本书下一个夜晚的故事。

请留意这场争论是怎样解决的。它不是靠谁的言辞最巧妙、谁的支持者最有名来解决的。它之所以得到解决，是因为这两个想法做出了不同的预言，而人们走出去进行了测量。这也许是整个开端的故事中最重要的一课。科学不是意见的较量。它是一种让宇宙本身来作出裁决的方法。

入睡之前

关灯之前，努尔给萨米写消息：“今晚的故事：如果星系现在正在彼此远离，那么过去它们就离得更近，再往前，一切都挤在一起，非常热。一位教物理的神父把最初的状态叫作原初原子。一个对立的想法说，宇宙根本没有开端。大爆炸这个名字，是一个不相信它的人起的。这场争论是靠证据解决的，下次再讲给你听。”

那天夜里，萨米在休息时回了消息。他说，在他的配送站，每当送货出了什么问题，司机们总要争论是谁的错，而经理总是说同一句话：“别吵了，去查物流记录。”他觉得天文学家们也是这么做的。努尔笑了，表示同意。然后她又想起了太空行走，想到在任何一种工作中，有多少事情取决于去核实，而不是去想当然。

她入睡之前，托马斯轻轻敲了敲她睡眠舱的墙壁，跟她道晚安。他提到，他曾经和一位工程师共事，那位工程师常说，一份检查清单就是你和所有在你之前犯过错的人之间的一场对话。努尔很喜欢这句话。她想，从某种意义上说，整部科学史就是一份这样的检查清单，由那些曾经犯过错、察觉到了、并把学到的东西传下去的人写成。

如果今晚你有一分钟，想一想你自己的工作日里，有哪件事是你倒着过一遍之后才理解得更清楚的：一个你追查到原因的错误，一项你从结尾开始规划的工作。这种思考方式，恰恰就是天文学家对宇宙所做的。他们拿着今天能看到的膨胀，耐心地问：在这之前，一定发生过什么？

常见的误解

许多人想象，宇宙开始于漂浮在一片广阔空旷空间里的一个微小的点，就像一间黑屋子正中的一个亮点，然后向外长大，填满了整个屋子。炽热开端的想法说的并不是这个。据我们所知，并没有什么屋子。早期宇宙之外并没有一片等着被填满的空旷空间。早期宇宙在每一处都炽热而致密，而从那以后一直在伸展的是空间本身。如果今天的宇宙是无限的，这是有可能的，那么它当时很可能也是无限的，只是要致密得多。当时非常小的，是后来变成我们能看到的这部分宇宙的那一部分。

许多人还从字面上理解“大爆炸”这个名字，想象出一场有中心、有声音的巨响。但从通常的意义上说，并没有什么巨响。声音需要空气或其他物质才能传播，而当时既没有听众，也没有一个可以从中听到它的外部。也没有中心，正如前一个夜晚那块膨胀的面包里的葡萄干所表明的那样。这个名字来自一个更喜欢另一种想法的人的电台讲话。它是一个有用的标签，这本书里也在使用它，但它对开端的描述，大概就像一个绰号对一个人的描述那样准确。

第三个常见的误解是，大爆炸理论解释了宇宙开端的原因。它并没有。这个理论描述的是宇宙怎样从一种非常炽热、致密的早期状态，变成了我们今天看到的宇宙，而且描述得非常好。但关于最初那一刻，以及在那之前有没有发生过什么、发生过什么，这个理论并没有给出任何可靠的说法。当我们试图把现有的物理定律应用到那里时，它们就失效了。科学家们诚实地说，这一部分还不知道。他们能检验的，是之后发生的事，而第一次重大的检验出现在1965年，来自一台天线里一阵微弱的嘶嘶声，下一个夜晚的故事就从那里开始。