15、物理学的黄金年代

中能量和动量守恒定律的应用，要么接纳关于辐射性质的另一种假说。”在补充说明了他的实验似乎是首次有证据表明一种“不带净电荷”粒子的存在之后，他总结道：“我们可以将其设想为卢瑟福在他的贝克尔演讲中讨论过的‘中子’。”[1155]他所观察到的过程是4He+9Be→12C+n，这里的n即代表质量数为1的中子。[1156]

对于卢瑟福和查德威克来说，这一发现的实质非常明显。而约里奥—居里夫妇则由于未能明辨该粒子的本质而陷入窘境（虽然这两个法国人后来也作出了自己的发现）。查德威克经过十个昼夜的奋战，确保了自己是中子的第一个发现者。实际上他最初是在剑桥大学卡皮察俱乐部的一次会议上宣布了自己的结果。该俱乐部由卡文迪许实验室的俄国物理学家彼得·卡皮察创办。震惊于剑桥大学拘谨的等级构成，卡皮察将其首创的俱乐部作为一个讨论平台，在这里等级并不重要。这个俱乐部在每周三集会，而在精疲力竭的查德威克宣布他发现了物质的第三个基本成分的那天晚上，他发表了非常简短的演讲，然后开玩笑地说道：“现在我只想被氯仿麻醉，然后在床上躺上两个星期。”[1157]由于这一发现，查德威克荣膺诺贝尔物理学奖。这种新粒子的电中性属性为人们对原子核的探测提供了更加深入的方式。事实上，其他物理学家已经开始考虑他的发现之后的问题了——但在某些情况下，他们并不喜欢自己的所见。

带着实用性和深刻的哲学意义，物理学正在成为科学的女王和接近自然的根本途径。抛开自然的可变性不谈，物理学最具有哲学意义的方面在于它与天文学的交集。

此时此刻，我们需要暂时回到爱因斯坦身上。就在他创立相对论之时，大多数科学家都想当然地认为宇宙是静态的。19世纪的人们已经了解了许多关于恒星的新知识，包括测量它们温度和距离的方法，但天文学家还没有观察到由天体构成的星系，或者它们正彼此远离的现象。[1158]但相对论给天文学家带来了惊喜：爱因斯坦的方程预言，宇宙必然要么膨胀，要么收缩。这是一个完全出人意料的结果，它看起来如此怪异，甚至爱因斯坦本人也这么觉得，以至于他运用计算对自己的理论进行修正，使他理论中的宇宙保持静止。后来，这一修正被他称为自己职业生涯中犯下的最大错误。[1159]

然而奇怪的是，一些科学家虽然接受了爱因斯坦的相对论以及在此基础上的计算，却从来不接受宇宙常数，以及基于该常数的修正。年轻的俄国科学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）是第一个促使爱因斯坦重新自我审视的人（“宇宙常数”实际上是弗里德曼的用词）。弗里德曼的童年颇为悲惨。他的母亲抛弃了他残忍、傲慢的父亲，并带走了还是孩子的小弗里德曼。但她被判犯有“破坏夫妻忠诚”罪而被王室判处独身，也被迫放弃了小弗里德曼。近二十年的时间里，他都没能见到母亲。弗里德曼自学了相对论，在这期间他意识到爱因斯坦犯了一个错误，即无论宇宙常数是否成立，宇宙都必然要么膨胀，要么收缩。[1160]他觉得自己敢于改进爱因斯坦理论的想法令人振奋，于是开发了一个数学模型来证明自己的观点，并将它寄往德国。不过，到了20年代早期，阿瑟·爱丁顿已经证实了爱因斯坦的一些预言，爱因斯坦因此名声大噪，信件如雪片般飞来，而弗里德曼的想法也在这雪崩般的信件中遗失了。[1161]不屈不挠的弗里德曼尝试面见爱因斯坦，但也没能成功。直到他们俩一位共同的同事向爱因斯坦介绍了弗里德曼之后，他才终于得以正视这个俄国人的想法。结果，爱因斯坦经过重新考虑，开始改变他对宇宙常数及其意义的看法。但将弗里德曼的思想向前推进的却不是爱因斯坦。在20世纪20年代，比利时宇宙学家乔治·勒梅特（Georges Lemaître）和其他科学家以弗里德曼的思想为基础，逐渐充实并完善了对均匀膨胀的宇宙的几何描述。[1162]

理论终归是理论。而行星、恒星和星系也绝非小巧的实体。它们占据了广阔的空间。当然，如果宇宙真的在膨胀，应该就能被观察到。实现这一目标的方法之一就是通过对当时被称为“螺旋星云”的天体进行观察。现在我们知道，星云是遥远的星系，但在当时的望远镜条件下，它们只是太阳系外天空中模糊不清的东西而已。没有人知道它们是气态还是固态物质，也没有人知道它们的大小或与地球相隔多远。就在那时，人们发现从螺旋星云发出的光会向光谱的红色端偏移。而多普勒效应（Doppler effect）能够说明这种现象具有怎样的意义。多普勒效应以其发现者克里斯琴·多普勒的名字命名，他是奥地利物理学家，于1842年首先解释了这一观察结果。当一列火车或一辆摩托车朝我们行驶过来时，它发出的噪音会发生改变，然后当它经过并离我们而去之时，它发出的噪音会再次发生变化。原因很简单：随着火车或摩托车逐渐靠近，声波也离观察者越来越近，其时间间隔会缩短。当火车或摩托车逐渐远离，相反的效应也出现了。噪音的声源一直在远离，所以声波之间的间隔也越来越长。而光也会产生与声波大致相同的现象：光源向某处接近时，在该处就会观察到光向光谱的蓝色端偏移；而当光源远离某处时，光则向光谱的红色端偏移。

1922年，维斯托·斯里弗在亚利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄尔天文台就这一现象进行了第一个关键的测试。[1163]洛厄尔天文台建于1893年，原本用于探测火星上的“运河”。在这种情况下，斯里弗预计会在螺旋星云的一侧（旋转远离观察者的部分）观察到红移，而在另一侧观察到蓝移（因为螺旋朝向地球旋转）。结果是，他发现在他所考察的40个星云中，有4个只出现了红移。这是为什么？几乎可以肯定的是，这种混乱之所以会出现，是因为斯里弗无法真正确定星云距离地球有多远。这使他对红移和距离的关联出现了问题。但观察结果仍然颇具启发性。[1164]

又过了三年，个中缘由终于得以澄清。1929年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）用一台当时最大的望远镜，即架设在洛杉矶附近的威尔逊山上直径100英寸的反射式望远镜，成功地识别了多个星云旋臂中的单个恒星，从而证实了许多天文学家的猜想，即“星云”实际上是完整的星系。哈勃还确定了一些“造父变星”的位置。造父变星即亮度呈规律性变化的恒星（周期范围从1到50天不等），它从18世纪晚期以来已为人所知，但直到1908年，哈佛的亨丽埃塔·莱维特才证明了恒星的平均亮度、大小以及它们与地球的距离之间的数学关系。[1165]利用所能观察到的造父变星，哈勃计算出20个星云到地球的距离。[1166]他的下一步计划是将这些距离与它们对应的红移关联起来。哈勃总共收集到了24个不同星系的信息，他观察和计算的结果简单而令人激动：他发现其中存在着一个简单的线性关系。星系离我们越远，发出的光产生的红移就越强烈。[1167]这被称为哈勃定律，虽然原始的观察是基于24个星系做出的，但自1929年以来，该定律已被证明适用于成千上万的星系。[1168]

爱因斯坦的预言因此再一次得到证实。他和弗里德曼以及勒梅特的计算通过实验得到了证明：宇宙确实处在不断膨胀的过程中。许多人花了一些时间才适应了这一观点。它涉及了关于宇宙的起源、性质以及时间的各种启示。一时间，宇宙膨胀思想带来的即时影响几乎让哈勃与爱因