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茶余饭后聊聊科学（1） (附图三幅）

Mew2
[个人文集]

加入时间: 2004/02/14
文章: 5070

经验值: 33

标题: 茶余饭后聊聊科学（1） (附图三幅） (737 reads) 时间: 2002-12-22 周日, 下午12:39

作者：Mew2 在寒山小径发贴, 来自 http://www.hjclub.org

今天照旧起得晚，吃完饭后什么事也不想干。突然想起几乎是一整年前，

我不知咋的鬼迷心窍，开始在网上写起了本行当的“科普”，从那开始

每月写两三节，竟然成了包袱。到现在，也应当有十万字左右了。说那

是包袱的确不假，因为文章是写给本专业的大学生以上看的，每个字要

讲究来历，还要将一些微妙的东西直观地说出来。因为要求读者有本专

业的背景，所以比起真正的科普还是好写得多。

写那个系列花了我本该用在自己学问上的时间还不算，因为写上了中文，

又偶然来到寒山，竟然在这里也瞎码了那么多字，真正浪费了许多宝贵

时间。倒不是说这些宝贵时间可以用来做研究的，本来研究的好坏不一

定和投入的时间成正比。这些时间可以用来做许多其它的事。既然上了

船，要下来不容易。

其实如果在寒山一上来玩自己的本行，还真不浪费时间。一是瞎聊可以

试试自己对本行的东西到底了解到什么程度，二是聊本行就象在办公室

和同事讨论，一点力气不费。所以今天我干脆开始瞎聊科学，节省大脑

细胞。

在中国的文化界有这么个说法，书画同源。画自然是先民为了记录一种

景象或一种感情作出的了不起的创造，而文字似乎也是一种象形的记录。

科学很可能和书画一样古老，如果说科学宗教同源大概也不过分。都是

为了解释自然界和人的内心发生的事。发展到今天，科学和宗教早已分

道扬镳，科学也将宗教挤到只解释人内心发生的事，虽然梵蒂冈还想和

科学套近乎，科学却爱理不理。当然，现代的西方人还是不甘寂寞，又

玩起了象后现代主义之类的东西，将任何东西都拿来解构一下，还装了

个科学的嘴脸。科学就这么容易玩的？少说也得上四年大学再读两三年

的自然科学研究生，才能说话有点可信度。

说起科学与宗教的关系，最好的地方是宇宙学。谁不会对我们生活其中

的宇宙感兴趣？宗教解释宇宙的方式其实很“原始宗教”的，不信看看

旧约。记得霍金在他的《时间简史》的开头就引了这么一个故事：一次

他在某处演讲宇宙学，听众中有一个老太太对他的说法持反对意见。于

是对他说，地球不就是一头大象驮着的吗，这头大象是站在一个大乌龟

的身上的。霍金反问老太太，那么这只乌龟又站在什么上面？老太太回

答，好聪明的年轻人，问得好，这只乌龟下面有无数个乌龟！

所以宇宙学的问题往往很简单，但不容易回答。每一代科学都试图回答

这些问题，而真正的宇宙学开始于爱因斯坦。有人这么说，在爱氏之前

没有作为科学的宇宙学，宇宙学属于哲学研究的范围，也就是说，宇宙

学是形而上学的一种（meta-physics),没法用格物致知的方法来研究。

研究宇宙学得有两个前提，第一当然是可以做实验，做观测；第二是有

适当的理论框架。在爱氏研究宇宙学的时候，第一个前提还不具备，第

二个前提是他自己提供的。

为什么要有理论框架才能研究宇宙学？这个问题好回答。研究宇宙学，

我们起码要问两个最重要的问题。一个问题是，宇宙中主导天体运行以

及他们之间关系的力是什么？第二个问题是，宇宙在时空方面的广延性

是什么？在爱氏之前，牛顿知道了对第一个问题的回答：主导宇宙的力

是万有引力，就是将万物吸附在地球上的力，也是地球被吸引绕太阳运

动的力，同样是结合银河系中数千亿个太阳的力。牛顿也试图回答第二

个问题，可是他的回答和他对第一问题的回答矛盾。

牛顿对第二个问题的回答很简单，也是一般人想当然的回答：空间和时

间都是无限的，而空间是绝对的。空间绝对是牛顿的猜测，因为没有实

验能告诉他绝对空间是什么。牛顿力学中有一个相对性原理，就是说，

一个生活在以匀速运动的船上的人感觉不到船在动，因为他无论做什么

实验，都不能说明是船在动，还是水在动。同样，牛顿也不能决定那恒

为静态的空间是什么。对于牛顿来说，还有一个深刻的问题要回答，就

是如何决定一个惯性参照系？惯性参照系的定义是，惯性原理在这个参

照系成立。于是他设计了一个著名的水桶实验（在他《原理》一书的一

个附录中）。这个水桶实验，虽然没有帮助牛顿什么，却对后世包括爱

因斯坦有重要的影响。

那么，为什么牛顿的无限时空和他的万有引力理论矛盾呢？这里涉及的

是一个稳定性的问题。考虑我们周围的物质，包括银河系以及银河系以

外的星系，这些物质之间都存在着吸引力，无论多么微弱。当我们将空

间不断地向外扩展时，我们就会遇到一个极限，到了这个极限，整个体

系在引力的作用下会塌缩。如果我们周围的物质早就是这样了，我们今

天应当生活在水深火热之中。

当然有一个办法排除这个矛盾，就是用类似那个老太太的办法，说，我

们周围的物质只分布在一定尺度，再向外走就没有物质了，真空一片。

不用说现在宇宙学的观测不支持这个说法，就是在形而上学中，很少人

会接受这个解释。

和这个稳定性问题类似的一个问题，是奥尔伯斯佯谬。他说，如果宇宙

中有无限多个恒星均匀地分布，那么我们地球上接受到的光的亮度应是

无限大，我们早被热辐射照死了。要理解这个结论也很容易，虽然恒星

离我们越远，亮度越小（与距离平方成反比），可是距离我们越远，恒

星越多（想象一个具有一定厚度的球壳，球的半径越大，球壳的体积越

大，所含的恒星越多），恒星的数目正好抵消变小的亮度，所以无限大

的空间带来无限大的光照，甭说在白天，就是在夜里也是亮得睁不开眼。

解决上面的两个问题的方法是假定，虽然空间是无限的，我们这块地方

是宇宙的中心，离开这个中心嘛也没有。这实在等于有限宇宙论，只不

过加了个无限大的真空这个尾巴。

现代宇宙学的理论和观测都表明，宇宙在某种意义上是有限的，但没有

无限大的真空这个尾巴。恰恰相反，越大的尺度上，物质的分布越均匀。

同样，基于观测和爱氏的理论，我们看到的这个宇宙起源于大约一百五

十亿年前的一个极高温度的“火球”，这个火球的温度之高足以融化任

何你看到过的东西，甚至任何你没有看到过的东西。

不过我的咖啡喝完了，故事下次接着讲。

我们的银河系