年輕時(shí)的皮布爾斯曾有過(guò)一個(gè)夢(mèng)想，他要統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子力學(xué)這兩個(gè)作為現(xiàn)代物理的基石卻又互不相容的理論體系。他的導(dǎo)師狄克毫不留情地嘲笑道，“去找你的諾貝爾獎(jiǎng)吧，然后再回來(lái)做點(diǎn)實(shí)際的物理?！?/span>
皮布爾斯出生于加拿大中西部山區(qū)的溫尼伯市，從小習(xí)慣于星光燦爛的夜空，經(jīng)常還能看到絢麗的極光。但他對(duì)辨認(rèn)行星、星座的這些知識(shí)提不起興趣，卻因?yàn)樵诮憬愕恼n本中看到奇妙的動(dòng)滑輪、定滑輪組合而喜歡上了物理。從中學(xué)到大學(xué)，皮布爾斯都是首屈一指的學(xué)霸，因當(dāng)?shù)卮髮W(xué)不出名，他23歲大學(xué)畢業(yè)后去普林斯頓上研究生。從此，他竟再也沒(méi)有離開過(guò)這個(gè)老牌學(xué)府。
1958年大學(xué)畢業(yè)時(shí)的皮布爾斯
到普林斯頓不久，一位老鄉(xiāng)帶他去狄克“星期五晚上引力小組活動(dòng)”。他看到狄克和研究生、博士后以及青年教授混在一起無(wú)拘無(wú)束，喝啤酒、吃披薩，指點(diǎn)廣宇、激揚(yáng)物理模型，立刻就著了迷。從一個(gè)半懂不懂的新生到博士畢業(yè)、博士后直至成為青年教授，皮布爾斯隨狄克一步步走上學(xué)術(shù)生涯。
愛(ài)因斯坦開始思考宇宙時(shí)，“理所當(dāng)然”地假設(shè)宇宙中物質(zhì)的分布是均勻、一致的。他有現(xiàn)實(shí)的原因：只有這樣才能將復(fù)雜的宇宙簡(jiǎn)化成一個(gè)“球形奶?！?，求解他那廣義相對(duì)論方程。
皮布爾斯在準(zhǔn)備研究生資格考試的必修課上第一次接觸到愛(ài)因斯坦這個(gè)宇宙模型。他的第一反應(yīng)是這完全不是物理，至少不是他所熟悉、喜愛(ài)的“滑輪組”式的、真真切切的物理。這個(gè)簡(jiǎn)單的模型無(wú)非是物理課習(xí)題、考試中常見(jiàn)的“假設(shè)一頭大象在沒(méi)有摩擦阻力的斜坡上下滑……”那一類玩意。后來(lái)，他又接觸到霍伊爾等人的穩(wěn)定態(tài)宇宙，更為詫異：他們簡(jiǎn)直就是在隨意編造嘛！當(dāng)然，宇宙學(xué)那時(shí)候還不是——至少還沒(méi)有被普遍認(rèn)可是嚴(yán)格科學(xué)的一部分。
狄克雖然對(duì)年輕人的好高騖遠(yuǎn)不屑一顧，但他并不回避挑戰(zhàn)大課題。當(dāng)他意識(shí)到有可能發(fā)現(xiàn)并探測(cè)到宇宙之初的微波遺跡時(shí)，就毫不猶豫地指示自己的學(xué)生全力以赴。皮布爾斯當(dāng)時(shí)已經(jīng)是博士后，他負(fù)責(zé)理論推導(dǎo)，在對(duì)已有文獻(xiàn)毫不知情的情況下發(fā)現(xiàn)伽莫夫、阿爾弗、赫爾曼在20年前已經(jīng)發(fā)表的卻已被人們遺忘了的宇宙大爆炸說(shuō)，其中包括應(yīng)該在今天還存在的。
當(dāng)彭齊亞斯和威爾遜探測(cè)到微波輻射背景之后，對(duì)于皮布爾斯來(lái)說(shuō)，更重要的是他親身經(jīng)歷了一次用簡(jiǎn)單模型的計(jì)算結(jié)果居然立刻就能被實(shí)驗(yàn)確證的奇跡。也許，宇宙真的就可以是很簡(jiǎn)單，比一頭在斜坡上沒(méi)有摩擦阻力的大象復(fù)雜不了太多。宇宙學(xué)也至少不全是主觀隨意的臆測(cè)，她可以是或者正在成為實(shí)實(shí)在在的、定量的、可驗(yàn)證的科學(xué)。
哈勃的星云觀測(cè)以實(shí)際的數(shù)據(jù)在1920年代結(jié)束了沙普利與科蒂斯那場(chǎng)“世紀(jì)大辯論”：星云是獨(dú)立的星系、銀河系之外的“島嶼宇宙”。隨后，哈勃與胡馬森又證實(shí)了宇宙在膨脹，所有遠(yuǎn)方的星系都在遠(yuǎn)離我們而去。
但也有一個(gè)例外。相鄰的仙女星系卻還在與我們“相向而行”。哈勃把銀河系和仙女系以及它們各自周圍附屬的小星系一起稱做“當(dāng)?shù)匦窍等骸保╨ocal group）。這兩個(gè)星系之間距離相對(duì)比較近，互相的引力作用強(qiáng)于空間的膨脹，因此在“眾叛親離”的宇宙大環(huán)境中還能做到“不離不棄”。然而這不是銀河系所特有的現(xiàn)象，20世紀(jì)中期，天文學(xué)家意識(shí)到相當(dāng)多的星系之間可能存在著引力的牽扯而組群抱團(tuán)，叫做“星系團(tuán)”（clusters of galaxies）。
1969年夏天，皮布爾斯在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室待了兩個(gè)月。因?yàn)樵O(shè)計(jì)制造核武器的需要，那里有當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的大型計(jì)算機(jī)。皮布爾斯如獲至寶，他設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，讓一定數(shù)量的星系既互相有引力耦合又都處于正在膨脹的空間中。他自己編寫出程序，一個(gè)人花了很多時(shí)間在卡片上打孔輸入，得以完成模擬計(jì)算。結(jié)果可以看到這些星系開始會(huì)因?yàn)橛钪娴呐蛎浄蛛x，一定時(shí)間之后又因?yàn)橐Φ臓恐品炊窒嗷タ拷?，形成一個(gè)類似星系團(tuán)的結(jié)構(gòu)。
這也是一個(gè)“球形奶牛”式的簡(jiǎn)單化模型。
那年，他在普林斯頓為研究生開了一門新課，講授宇宙中星系分布的結(jié)構(gòu)。他開始只有一個(gè)簡(jiǎn)單的大綱，在課上往往隨心所欲地發(fā)揮。不料比他年長(zhǎng)20多歲的大牌教授惠勒也出現(xiàn)在教室里?；堇沼X(jué)得皮布爾斯所講的是當(dāng)時(shí)課本中還沒(méi)有的前沿問(wèn)題，應(yīng)該結(jié)集出版。因此，每堂課他都靜靜地坐在最后一排，認(rèn)真詳細(xì)地記下皮布爾斯的講授，課后他又將所記的稿紙交“還”給皮布爾斯。資歷尚淺的皮布爾斯不敢懈怠，在1971年出版了他的第一部專著：《物理宇宙學(xué)》（Physical Cosmology）。
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，如同惠勒所言，是“物質(zhì)告訴空間如何彎曲，空間告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)”。在這個(gè)框架下，物理學(xué)“退化”為只是描述時(shí)空形狀的幾何學(xué)。的確，愛(ài)因斯坦晚年孜孜不倦所努力的“統(tǒng)一場(chǎng)論”，就是要將電磁力也變成時(shí)空幾何的一部分。
皮布爾斯的授課則提醒大家在廣義相對(duì)論宇宙學(xué)研究中一直被忽視的另一部分：宇宙中的星系并不都只是彎曲空間中孤立的點(diǎn)。它們之間也還有相互作用，因此存在星系團(tuán)甚至更大的物理結(jié)構(gòu)?；堇罩詫?duì)他的課程青眼有加，就在于那個(gè)年代的這個(gè)領(lǐng)域還屬于空白?！段锢碛钪鎸W(xué)》出版時(shí)，總共只有282頁(yè)。
還是在1966年3月，皮布爾斯訪問(wèn)加拿大的多倫多大學(xué)時(shí)，一個(gè)教授指著墻上掛著的一幅大星系團(tuán)分布圖對(duì)他說(shuō)，你看，即使在這個(gè)尺度上，物質(zhì)分布也并不均勻。皮布爾斯好奇地問(wèn)道，那這個(gè)分布是隨機(jī)的嗎？對(duì)方回答說(shuō)他不知道，也沒(méi)人知道，或許你皮布爾斯可以去驗(yàn)證一下。
著名的阿貝爾大星團(tuán)（Abell catalog of rich clusters of galaxies）的一個(gè)分布圖（圖中左下角空白區(qū)域當(dāng)時(shí)還沒(méi)有數(shù)據(jù)）
其實(shí)，宇宙中物質(zhì)分布應(yīng)該是均勻的假設(shè)并不是愛(ài)因斯坦的首創(chuàng)。早在17世紀(jì)，牛頓就提出了“宇宙學(xué)原理”（cosmological principle）。這是摒棄了地心說(shuō)之后的物理學(xué)的必然：宇宙之中，沒(méi)有哪個(gè)空間點(diǎn)會(huì)比另一個(gè)點(diǎn)更特殊、優(yōu)越，所有的空間點(diǎn)都互相對(duì)稱。因此，宇宙應(yīng)該是均勻、各向同性的。
這顯然與我們?nèi)粘Ｉ钪械慕?jīng)驗(yàn)不符。太陽(yáng)系的質(zhì)量基本上完全集中在太陽(yáng)所在的那個(gè)點(diǎn)上，其它地方除了少數(shù)行星、衛(wèi)星便只是真空。推而廣之，銀河中星體密集，之外便稀疏無(wú)幾。牛頓、愛(ài)因斯坦等皆大而化之地宣布，這些都只是小尺度上的隨機(jī)漲落、也就是“噪音”，微不足道。只要用足夠大的尺度來(lái)看宇宙，平均下來(lái)，所有地方的質(zhì)量都會(huì)是均勻分布的，無(wú)論在哪個(gè)距離、哪個(gè)方向都沒(méi)有區(qū)別。
隨著越來(lái)越強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)，人類的視野——尺度——也越來(lái)越大，但所看到的星星、星系、類星體等等依然分布得參差不齊，沒(méi)有趨向均勻的跡象。多倫多大學(xué)教授辦公室的掛圖中的星系團(tuán)是處于十億光年以外的，我們看它時(shí)的尺度不可謂不大，但在這樣的尺度上依然存在的不均勻，這讓天文學(xué)家困惑。牛頓的宇宙學(xué)原理其實(shí)并沒(méi)有實(shí)際的根據(jù)，沒(méi)有理由相信其必然成立。
在回程飛機(jī)上，皮布爾斯埋頭在筆記上寫寫畫畫，推導(dǎo)出了用統(tǒng)計(jì)手段分析大星系團(tuán)分布的數(shù)學(xué)方法?；氐狡樟炙诡D，他與他的第一個(gè)研究生、來(lái)自香港的虞哲奘（Jerry Jer-Tsang Yu）擺開架勢(shì)，收集當(dāng)時(shí)所有的星系團(tuán)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，輸入他們?cè)谄樟炙诡D的并不那么先進(jìn)的早期計(jì)算機(jī)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。果然，他們發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)的分布不均勻也不隨機(jī)，具備明顯的關(guān)聯(lián)（correlation）。
在其后的十來(lái)年里，他和他的一批又一批研究生持續(xù)、優(yōu)化統(tǒng)計(jì)手段，把視野越推越大，直達(dá)幾百億光年之外的類星體。在這樣的尺度上，他們依然能覺(jué)察同樣的關(guān)聯(lián)。1980年，皮布爾斯出版了他的第二本專著《宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)》（The Large-Scale Structure of the Universe），系統(tǒng)地總結(jié)了這一發(fā)現(xiàn)。
原來(lái)，宇宙這頭“奶?！辈⒉皇且粋€(gè)處處對(duì)稱的標(biāo)準(zhǔn)圓球。當(dāng)然，它也不是長(zhǎng)有犄角、長(zhǎng)腿、尾巴的丑陋?jiǎng)游铮徊贿^(guò)是在圓球表面一些地方有著細(xì)微的起伏、或色調(diào)的差異。需要明察秋毫的眼神才能發(fā)現(xiàn)。就像我們居住的地球，如果從太空俯瞰，地球周邊是一個(gè)圓形，一旦仔細(xì)勘察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)地球的赤道會(huì)比兩極更突出一些，地球的表面也不都如同海平面那樣平坦光滑，而是有著山脈、溝壑、丘陵等等?？傊厍虿皇且粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓球。
最讓皮布爾斯糾結(jié)的卻是他當(dāng)年協(xié)助發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景。那是宇宙大爆炸之后的第一縷光，也就是人類視線所能及的最大尺度。那個(gè)輻射的溫度、強(qiáng)度在各個(gè)方向都驚人地一致，測(cè)不出區(qū)別，也就是沒(méi)有“大尺度結(jié)構(gòu)”。皮布爾斯因此很納悶。如果最初的宇宙平滑如一，那么后來(lái)的結(jié)構(gòu)是如何出現(xiàn)的呢？他推測(cè)這宇宙微波背景輻射中肯定也存在著不均勻，只是幅度太小還無(wú)法發(fā)現(xiàn)。
1981年，兩個(gè)科研團(tuán)隊(duì)突然宣布在微波背景中探測(cè)到了非常細(xì)微（萬(wàn)分之一）的差異。皮布爾斯立刻發(fā)表了一個(gè)與這個(gè)結(jié)果相符的理論模型。不到一年，那些人卻收回了他們的結(jié)論，因?yàn)樗麄兊臄?shù)據(jù)其實(shí)表明微波背景在這個(gè)精度上沒(méi)有差異。于是，皮布爾斯又發(fā)表論文，指出微波背景中的差異——如果存在的話——應(yīng)該會(huì)是在更低的精度上。
也是在1982年，林德提出的新暴脹理論遭遇了同樣的難題。如果宇宙只是在單一的泡泡里暴脹，就會(huì)處于理想的熱平衡或熱寂狀態(tài)，不可能再產(chǎn)生現(xiàn)在的大尺度結(jié)構(gòu)。
英國(guó)的納菲爾德基金會(huì)那時(shí)給劍橋大學(xué)提供了一筆資金，贊助他們連續(xù)三年每年舉辦一次學(xué)術(shù)會(huì)議。1982年本來(lái)應(yīng)該是第二年。霍金感到宇宙起源的課題正處于重大突破的節(jié)骨眼上，他自作主張，將剩下兩年的資金合并，全用于這一年的夏天，舉辦為期近20天的“納菲爾德極早期宇宙工作會(huì)議”（Nuffield Workshop on the Very Early Universe）。
這個(gè)會(huì)議的安排比較特別，每天只安排上午下午各一個(gè)講座，其余全都是自由時(shí)間。受邀到來(lái)的約30位與會(huì)者隨意組合，討論、游玩或干脆就聚在一起共同演算，甚至半夜三更還在互相敲門。很多人說(shuō)這是他們參加過(guò)的唯一真正的“工作”會(huì)議。
霍金在會(huì)上做了題為《暴脹的終結(jié)》（The End of Inflation）的演講。這個(gè)標(biāo)題一語(yǔ)雙關(guān)，既表達(dá)了他自己對(duì)暴脹理論前途的憂慮，同時(shí)也指出可能的出路在于暴脹終止、宇宙進(jìn)入“正常”的大爆炸膨脹過(guò)程的那一時(shí)刻。
在經(jīng)典理論中，當(dāng)宇宙像一塊巨石從山坡上滾下時(shí)，整個(gè)宇宙會(huì)在同一個(gè)時(shí)刻到達(dá)坡底的穩(wěn)定態(tài)，完成暴脹。但如果考慮到量子力學(xué)的隨機(jī)性，宇宙滾到坡底的時(shí)刻就會(huì)因空間點(diǎn)而異，有的稍微早到，有的稍微晚一些。這樣各個(gè)空間點(diǎn)完成暴脹、進(jìn)入膨脹的時(shí)間、溫度略有差異。反映在質(zhì)量的分布上，便是有些地方質(zhì)量稍微密集，有些則稍微稀薄。在隨后的膨脹中，因?yàn)橐Φ淖饔?，密集的地方?huì)逐漸吸引更多的質(zhì)量，變得越來(lái)越密集，以至于積沙成塔，形成恒星、星系、星系團(tuán)等等結(jié)構(gòu)。由此誕生了我們賴以生存的世界。
霍金的這個(gè)提議在會(huì)前就已經(jīng)引起了廣泛的注意。古斯、斯泰恩哈特和斯塔羅賓斯基等都在緊張地計(jì)算這個(gè)量子力學(xué)修正的幅度。無(wú)奈他們這四只隊(duì)伍竟得出了三個(gè)不同的結(jié)果。在這個(gè)會(huì)議上，他們也都聚在了一起比較、切磋。終于在會(huì)議結(jié)束的那一天找出了各自的問(wèn)題，得出一致的結(jié)論。他們因此預(yù)測(cè)，暴脹結(jié)束時(shí)出現(xiàn)的不均勻性應(yīng)該也存在于今天的宇宙微波背景輻射之中，大約在十萬(wàn)分之一的精度上。這個(gè)結(jié)論與皮布爾斯從今天的宇宙中存在的大尺度結(jié)構(gòu)出發(fā)所推測(cè)的不謀而合、殊途同歸。在會(huì)議總結(jié)中，他們宣布這是一次暴脹理論“死而復(fù)生”（dead and then transfigured）的大會(huì)。
在宇宙起源上，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)這兩個(gè)大冤家終于實(shí)現(xiàn)了第一次攜手合作：暴脹將宇宙原有的所有山巒、溝壑拉平，給我們一個(gè)平坦、光滑、各向同性的理想幾何背景；量子力學(xué)的隨機(jī)漲落又在上面描畫出細(xì)微的漣漪，為星系、太陽(yáng)系以及地球上可以理解這一切的智慧人類提供了出現(xiàn)、生存的前提。
林德感嘆道：“沒(méi)有暴脹，宇宙會(huì)是丑陋的；沒(méi)有量子，宇宙會(huì)是空洞的。”（Without inflation, our universe would be ugly. Without quantum, our universe would be empty.）
對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，納菲爾德會(huì)議上的這一預(yù)測(cè)還有著巨大的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)宇宙“極早期”——大爆炸之后10-35秒——那純粹數(shù)學(xué)式的理論終于不再只是邏輯的空想，而是有了一個(gè)在今天可以確切地證實(shí)或證偽的判據(jù)。暴脹宇宙學(xué)也進(jìn)入了實(shí)際、精確科學(xué)的范疇。
只是，十萬(wàn)分之一是相當(dāng)苛刻的精度。如果我們的地球表面有著同樣的光滑度，那么最高的山峰便不能超過(guò)海拔100米。微波背景輻射中是否存在這么微小的差異，需要非常精確的測(cè)量手段。納菲爾德的與會(huì)者心有戚戚，他們幾乎一致認(rèn)定自己在有生之年不可能看到那一天。
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