第7章 物理科学，从1946年到现在(6)

数据中的暗号

1967年7月，休伊什和他的学生在英国卡文迪什实验室附近的场地上排列了一长列的天线，做成更强大的射电望远镜，用来观测射电星光的闪烁。研究生约瑟琳·贝尔的工作是检查每天的星表，寻找有趣的数据。8月份，她注意到在天空中有一个小点在奇怪地闪光，在这一位置从来也没有出现过类似现象。休伊什认为可能是接收器的噪声。他们笑着把这一信号称为来自另一个世界的“小绿人”发出的信号，然后继续收集数据。后来不仅这一信号继续出现，而且贝尔小姐又发现了三个类似的脉冲射电源。他们开始意识到，这些数据反映了一个真实的现象：有一类天体，是以前从来没有检测到的。他们开始运用已知的物理定律寻求解释。

休伊什、贝尔和他们的同事就这样发现了所谓的脉冲星（因为它们在发出脉冲），科学家们认识到，他们检测到了中子星。所谓中子星，指的是这样一类星，其密度达到难以置信的程度，如同像太阳那样大的质量硬挤在一座山里面一样。尽管有人曾经认为中子星可能存在，以前却从来没有人检测到。

倾听生命之音

射电天文学也是一小群专注的科学家所用的关键性工具，他们探讨的问题是：我们孤独吗？有一些人——被称为外空生物学家——正在寻找各种暗示，看看我们人类是不是宇宙中唯一的智慧生命形式。他们中间包括著名的美国天文学家萨根（Carl Sagan，1934—1996），他和德鲁阳（Ann Druyan，1949—）合写过一本小说，书名叫《接触））（Contact）。这本书的主角是一位妇女，她把整个一生都投入到系统和科学地探究来自地外文明的可验证的符号或信息上——不是指飞碟（UFO）。小说具有想象成分——毕竟它是小说——但是萨根知道科学家是怎样对待这个问题的，当问题涉及地外智慧的搜寻（SETI）时，他把科学放在正确的位置上。考虑到“地外人”来到的可能性微乎其微（即使从太阳系之外最近的恒星到我们地球旅行，也需要经过许多代），许多科学家以为，我们也许有一天能够接收到从宇宙中某处另一个太阳系的类地行星发出的信号。但是当它到达时只有我们正在倾听，才能认出它来。

然而，搜寻太阳系之外的文明所发出的信号，其难度堪与试图在宇宙的干草堆里寻找一根针，或者在尼亚加拉大瀑布的吼声中尽力听出蟋蟀的声音相提并论——我们始终想知道，我们要找的针或者想要听到的声音究竟有没有，也许我们到头来什么也没有发现，顶多只是发现不平静的自然界在随意、持续地扰动而已。但是有些问题似乎是永恒的，深深地扎根在人们的意识里。“我们是不是孤独的？”就是这样一类的问题。20世纪80年代和90年代技术的发展已经成熟到可以进行此类实验。在世界范围内，科学家开始审视通过组织严密的搜寻所获得的来自太空的各种信号。天体物理学家和SETI科学家奥利弗（BernardM．Oliver，1919—1995）1986年在一次采访中说过：“如果我们是正确的，那么，经过好几十亿年，应该有大量的智慧文明像群岛一样在这个星系里成长，如果他们在其整个历史中都处于孤立状态，这对我来说是不可想象的。”

SETI方法第一次重大突破发生于1959年。这时有两位科学家莫里孙（Philip Morrison，1915—2005）和柯孔尼（Giuseppe Cocconi，1914—）提出，射电天文学可以用于与其他世界通信。为什么是射电天文学呢？奥利弗解释说：“从经济和效率来看，信息载体应该符合以下标准：（1）其他条件相同的情况下，能量……应该最低；（2）速度应该尽可能大；（3）粒子应该容易产生、发射和捕获；（4）粒子应该不会被星际介质显著吸收或偏转。”这些标准射电波都容易满足，因为它快速、有效而且相对便宜。所以，仅仅从逻辑上判断，智慧文明（如果存在的话）应该选择射电谱穿过浩瀚的星际太空来传送长途信号。

第一项针对地外智力进行的射电望远镜探索是名叫欧兹马的计划，是1960年由SETI先驱德雷克（Frank Drake，1930—）在美国西弗吉尼亚州绿洲的国家射电望远镜天文台（NRAO）进行的。德雷克选择了两颗邻近的类似太阳的恒星，鲸鱼座τ星和波江座ε星，用了整整150小时“倾听”。结果什么也没有发现，但是他开了一个头。

欧兹马计划之后，在美国、苏联、澳大利亚和欧洲发射了30个以上的SETI实验装置，都没有取得结果。尽管组织了许多小时的综合倾听时间，但它们覆盖的仅仅是全部可能性的一小部分。光谱的各种方向和分段以及信号调制的各种类型还有几乎无穷无尽的组合有待探索。

到了20世纪八九十年代，新技术和现代计算机的巨大数据处理能力使这些研究发生了革命性的变化。多通道分析器现在可以同时精确地显示数以百万计的射电频道。有一个计划，是1985年9月由名叫行星学会的非盈利组织建立的，创造了一台新的840万频道分析器。NASA的SETI计划于1993年失去了国会的拨款，只是在私人的资助下才得以维持，它利用超大规模集成（VLSI）电路，收集多达1000万个单独的频道。来自望远镜的实时数据由这台仪器进行分析，寻找有意义的数据，然后传送到信号分析器，再转到强大的计算机里。

如果没有这一自动筛选过程，来自射电望远镜的信息量将庞大得无法处理。在运用更先进的技术之前，一次5天观测期可以产生300盘以上的数据磁带。用一台计算机分析这些磁带上的数据，需要花两年半的时间。天文学家塔尔特（Jill Tarter，1944—）在有了这一经历后，画了一幅漫画，在由计算机打印输出叠成的磁带山下伸出一双脚，旁边写道：“活人被埋了！”她后来解释道：“如果是不实时的，你没法做这件事情。”也就是说，如果获得数据时，你不能实时处理，你将会发现：“你不能储存它，又不能靠人的智力处理它。你现在有了一种比以前精细得多的仪器，只要告诉它规则，它就会按照你的规则忠心耿耿地执行。”这项工作要求设备能够清除巨量不相关的杂音，仅仅保留可能有兴趣的信号。新技术做的正是这样的事情。

但是有了分析数据的设备还只是挑战的一部分。你面对的是浩瀚的宇宙，你向哪里观测呢？你要搜寻的对象是什么？SETI的研究者平常用的是两种方法之一：用灵敏的仪器追踪几个有希望的恒星，或者用不太灵敏的仪器以更宽的频带对整个天空进行宽带扫描。这是一个看不到头的任务，一个人可能一辈子都得不到肯定的结果。这也可能是一项带着一长串“如果”的作业。首先，假如地外文明真的存在，它有没有可能按照同样的推理，选择同样的频率，向我们这一方向播送信号？也许更重要的是，他们有没有这样代价昂贵的接近我们的企图？或者地外科学家在说服某个星系国会提供经费给这类大胆但很可能是无用的冒险事业时，会不会遇到麻烦？再有，考虑到宇宙已经存在了亿万年，当我们达到具有搜寻其他文明信号的能力时，这个时刻也许与信号到达的时刻并不吻合。从相距4光年的地方发来的信号只要4年就可以到达，然而今天从100光年以外的文明发来的信号还要再过100年才能到达。

但是，不管回答是10年、20年、50年或者甚至100年，大多数研究者都同意，我们不只是通过不确定的答案来知道情况，而是从我们搜寻的方法来知道情况。

搜寻就这样继续着。智慧是不是孤立的现象，而地球是不是它唯一的代盲人？我们是自然界短命的怪物，还是更大的宇宙社会的一部分？像我们这样的文明，是否能够长期存在，以至有能力到达其他世界，还是人类注定要灭亡，孤独地和不被注意地，在大自然的操纵下走向末日？有没有其他类似我们自己的代言人，宇宙黑暗中的其他搜寻者，正在寻找光和友谊？正在寻找希望？只有时间，以及全世界的SETI计划才会作出回答。

太阳系外的行星

1995年以前，科学家正确地假设，一定还有其他的太阳系，但是没有一个人看到过任何证据，能证明其他恒星有像地球一样的，与太阳系其他行星一起围绕着太阳旋转的行星。后来，运用多普勒光谱学，发现在一颗叫做飞马座51的恒星周围有一颗地外行星在旋转。这是一项令人激动的突破。从那时起，直到2003年9月，太阳系外的行星数目上升到了110个，它们的位置全是用同样的方法确定的。到目前为止，它们都是一些非常大的行星，比气体巨星木星还要大得多——不过这些也是最容易发现的。还有许多行星也许存在却至今未能检测到。

在我们太阳系之外快速地发现了如此之多的行星，是一个令人激动的迹象，暗示在宇宙中某些地方确有可能存在导致生命起源的环境。这是一个尚未揭开的大奥秘。

早期阶段

千百年来，人们始终在问：宇宙是怎样开始的，它会不会结束，怎样结束？然而当20世纪50年代有可能科学地解释这个问题时，大多数天文学家却试图回避。伽莫夫是一个例外。1948年伽莫夫研究出了一个方案，认为勒迈特利（Georges Lemaitre，1894—1966）提出的某种原始“宇宙蛋”或者“超级原子”的爆炸可能导致宇宙内各种元素的形成。伽莫夫是通俗科学读物作家，很快就由于这一关于宇宙起源的思想而声名鹊起，尽管这一思想并没有被普遍接受。

其实，许多科学家感到“早期阶段”问题要么不属于科学的范围，要么就是对科学的一种冒犯。英国物理学家霍伊尔（Fred Hoyle，1915—2001），也是一位科普作家，与奥地利人彭第（Hermann Bondi，1919—2005）和古尔德（Thomas Gold，1920—2004）联合提出了一个与之对抗的理论。由于极其不满意时间具有开端这一思想，他们提出的一幅图景称为“稳态宇宙”，其中物质不断创生，结果推动了宇宙的膨胀。宇宙的膨胀是哈勃在观测到所有星系都离我们而去时作出的结论。霍伊尔取笑伽莫夫的理论，戏称其为“大爆炸”理论。可以想象当这个名称后来流行时他会感到多么惊愕。

微波背景

与此同时，1964年新泽西州的贝尔实验室有两位研究者彭齐亚斯（Arno Allan Penzias，1933—）和威尔逊（Robert Woodrow Wilson，1936—），他们正在利用实验室的大型射电天线搜寻来自天空的弱信号，但是在对付背景噪声以便提取更清楚的信号时却遇到了麻烦。于是，他们把设备拆开，检验底盘，检验所有的接头。他们甚至在底盘中发现了鸽子窝，于是小心地轰走了这些鸟，把鸟窝移到几英里之外的地方。但是鸽子又回来了。他们再次轰走它们。但依然无法摆脱这种穿透宇宙的微波背景辐射。这一辐射就像巨大的回声，似乎意味着很久以前的某个时间发生过某种重大事件，从而使整个宇宙的温度升高，现在它已经几乎完全消散了。这是第一次真正支持年轻的伽莫夫于1948年提出的思想，他不仅预言了这一辐射，而且还正确地计算出它的精确温度是绝对零度之上的3K。

然后在1992年，另一份证据问世。处理宇宙背景探测器（Cosmic Background Explorer，COBE）太空船发回地面数据的科学工作小组宣布，与以前的证据不一样，宇宙背景辐射具有“波纹”。以前，威尔逊和彭泽亚斯以及后来所有研究者收集到的数据，都表明背景辐射的温度都是相同的，不管你观察的是天空的哪一部分。从这一恒定的温度，科学家推论得出，早期宇宙一定是光滑和均匀的，完全没有现在宇宙学家所谓的“肿块”。当我们遥望天空，看到一团一团的物质——星系、星云——点缀在空旷的太空里时，这些斑点就是宇宙学家所谓的“肿块”。

新的数据引人注目，因为它非常精确。COBE是NASA在1989年发射的，在第一年里沿着轨道进行了几亿次温度测量。在这样大量的数据中，COBE小组发现温度有微小的变化，冷热相差只有一度的百万分之三十，这些变化发生在早期宇宙气体密度有微小涨落的区域内，差不多是大爆炸之后的300 000年。（当我们说到时间开始之后仅仅300 000年时，就好像一个活了90岁的人一生中的第一天一样。）

当宇宙膨胀时，这些早期温度涨落区域也在成长，所以现在COBE检测的区域相当于几十亿光年的跨度。实际上，这些区域是如此之大，它们不可能是我们观测到的哪怕是最大星系团的先驱。但是它们的发现使得科学家确信，有可能找到更小范围内更大的密度涨落，而它们似乎是支持宇宙诞生的“暴胀”模型的。

当然，究竟宇宙是不是从大爆炸开始，还是以别的方式，创世的思想总会提出这样的问题：物质最先是从哪里来的？但是，正如宇宙学家霍金（Stephen Hawking，1942—）曾经说过的那样：这就像问北极之北5英里在什么地方一样。或者，换句话说，任何关于“大爆炸之前”的问题都是非物理的。时间存在于宇宙中——宇宙却不存在于时间里。

黑洞

与此同时，20世纪50年代在剑桥大学发生了一场个人奋战。年轻的物理学研究生霍金刚刚得知，他患了一种名叫肌萎缩侧索硬化症，难怪在过去的几年里，他走路和说话变得越来越不协调，逐步发展的瘫痪在几年内将把他困在轮椅上。在未来的岁月里，他只能眼看着体力衰退，直至死亡。这位卓越的年轻学生立刻陷于深深的失望之中。怎样把已经开始的充满希望的事业进行下去？难道一切都要放弃吗？几个月过去了，他的工作没有进展。

尽管霍金的健康无法恢复，但是他的事业可以恢复，这对科学来说，是一件幸运的事情。他的导师想出了一个计划：向他提出一个如此富有魅力的问题，以至他无法舍弃。就这样，霍金开始深入地探究黑洞，成了世界上在这个课题上最知名的专家，这个课题是现代天文学最有挑战性的问题之一。

霍金美国物理学家惠勒（John Archibald Wheeler，1911—）在20世纪60年代创造了“黑洞”这个词，表示恒星坍缩时最终形成的一种结构，那只不过是一个奇点。根据爱因斯坦的相对论，当这种情况发生时，任何东西都无法逃离高度集中的质量——甚至包括光。所以黑洞是看不见的，除非注意它的效应。