,在这模型中时间往回延续137亿年到达大爆炸。该模型解释了包括历史和地学的证据在内的大部分我们的现代观测,它是我们拥有的对过去的最好描绘。第二种模型能解释化石和放射性记录,以及我们接收来自距离我们几百万光年的星系来的光的事实。因此,这个模型——大爆炸理论 ——比第一个更有用。尽管如此,没有一个模型可以说比另一个更真实。
有些人支持时间能回到甚至比大爆炸还早的模型。目前还不清楚其中时间延续回到比大爆炸还早的模型是否能更好地解释现代的观测,因为宇宙演化的定律似乎在大爆炸处崩溃。如果出现这种现象,那么去创造一个包含早于大爆炸的时间的模型就没有意义,因为那时存在的东西对于现在没有可观测的后果,如此我们也可以坚持大爆炸是世界的创生的观念。
好模型的条件
一个模型是个好模型,如果——
1. 它是优雅的。
2. 它包含很少任意或者可调整的元素。
3. 它和全部已有的观测一致并能解释之。
4. 它对将来的这种观测做详细的预言,如果这些预言不成立,观测就能证伪这个模型。
例如,在亚里士多德的理论中,世界由土、气、火和水四种元素构成,而且物体是为了满足它们的目的而行为,这个理论是优雅的,并不包含可调节的元素。但在许多情形下,它并未做出确定的预言,而当它预言时,又并不总与观测一致。这些预言中的一个是,因为物体的目的是下落,因此较重的物体应下落得较快。在伽利略之前似乎没人想到过去验证这个很重要。传说他从比萨斜塔上释放重物来检验它。这故事可能是伪造的,但我们确知,他把不同的重物从一斜面上滚下,并且观察到它们都以同样速率获得速度,这与亚里士多德的预言矛盾。
上面的标准显然是主观的。例如,优雅就不是容易测量的某种东西,但科学家们非常珍视它,因为自然定律是意味着把许多特殊情况经济地压缩成一个简单公式。优雅是指理论的形式,但它与缺少可调整元素紧密相关,由于一个充满了修补的因素的理论不很优雅。引述爱因斯坦的话,一个理论应该尽可能简单,但不能更简单了。
关于第四点,当新的令人震惊的预言被证明正确时,总给科学家留下深刻印象。另一方面,当一个模型发现做不到这一点,一种普遍反应是说实验错了。如果证明不是那种情形,人们经常仍然不抛弃这个模型,而试图通过修正来挽救它。尽管物理学家执著地努力拯救他们赞美的理论,随着改动变得做作而且繁琐,理论因此而变得“不优雅”,人们修正理论的热情也就消退了。
何时需要新的模型
如果容纳新的观测所需的修正过分雕琢,这就标志需要新模型。稳态宇宙的观念是老模型迫于新观测而撤退的一个例子。1920年代,多数科学家相信宇宙是静止的,或者在尺度上不变。后来埃德温·哈勃于1929年发表了他的观测,显示宇宙正在膨胀。哈勃观察到由星系发射出的光,但并未直接观察到宇宙在膨胀。那些光携带特征记号,或曰基于每个星系成分的光谱。如果星系相对于我们运动,光谱就会改变一个已知的量。因此,哈勃由分析远处星系的光谱能够确定它们的速度。他原先预料会找到离开我们运动的星系数目与靠近我们运动的星系一样多。相反地,他发现几乎所有的星系都离开我们运动,而且处在越远的地方,它们就越快地运动。哈勃得出结论,宇宙正在膨胀。
但其他人坚持早先的模型,试图在稳态宇宙的框架中解释他的观测。例如,加州理工学院的物理学家弗里茨·兹威基建议,也许因某些还未知的原因当光线穿越巨大距离时慢慢地损失能量。这种能量减小会对应于光谱的改变。兹威基提议的这种改变能够模拟哈勃的观测。在哈勃之后的几十年间,许多科学家继续坚持稳态理论,但最自然的模型是哈勃的膨胀宇宙模型,而它已被接受。
(本文选自霍金新作《大设计》第三章“何为实在?”,有删节,标题与小标题系编者所加)
(责任编辑:罗园)
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