【蘇同叔專欄】大爆炸的名字是怎麼來的？

「言語就像魚叉，」英國物理學家和天文學家弗雷德·霍伊爾 (Fred Hoyle) 1995 年對採訪者說，「一旦插入，就很難拔出來。」 當時 80 歲的霍伊爾指的是他於 1949 年 3 月 28 日創造的「大爆炸」一詞，用於描述宇宙的起源。如今，它已成為一個家喻戶曉的短語，為那些不知道大約 140 億年前宇宙是如何誕生的人們所熟知並經常使用。諷刺的是，霍伊爾非常不喜歡大爆炸的想法，並且一直是主流大爆炸宇宙學的堅定批評者，直到 2001 年去世。天文學家弗雷德·霍伊爾據說創造了這個朗朗上口的術語來嘲笑宇宙起源理論——75 年過去了，是時候澄清這一事實了。赫爾格·克拉格Helge Kragh發表在最新一期《自然》(Nature)的<大爆炸的名字是怎麼來的？這是一個真實的故事(How did the Big Bang get its name? Here’s the real story)指出，關於這個流行術語的起源和影響，存在著一些誤解。其中一個問題是，霍伊爾引入這個綽號是否是為了嘲笑或詆毀一小群宇宙學家，他們認為宇宙有一個暴力的開端——這一假設在當時看來是不合理的。另一個原因是，這個群體熱切地接受了「大爆炸」，然後遷移到其他科學和日常語言。事實上，幾十年來，科學家忽略了這個朗朗上口的短語，即使它在更流行的環境中傳播。
這張新的宇宙地圖顯示暗物質塑造了宇宙
第一個大爆炸類型的宇宙學理論可以追溯到 1931 年，當時比利時物理學家兼天主教牧師喬治·勒梅特 (Georges Lemaître)提出了一個模型，該模型基於他所謂的「原始原子」在過去某個固定時間的放射性爆炸。他認為這個原始物體具有高放射性，並且密度如此之大，以至於它包含了整個宇宙的所有物質、空間和能量。他推斷，由放射性衰變引起的最初爆炸最終會形成恆星和星系。勒梅特將他的模型比喻為宇宙的「煙火理論」，煙火由最初爆炸的衰變產物組成。
然而，現代意義上的大爆炸宇宙學——宇宙是在能量的閃光中創造出來的，並在此後不斷膨脹和冷卻——直到20 世紀40 年代末才開始興起，當時蘇美核物理學家喬治·伽莫夫發表了一系列論文。以及他的美國同事拉爾夫·阿爾弗和羅伯特·赫爾曼。伽莫夫假設，早期宇宙一定非常熱和緻密，以至於充滿了輻射和核粒子（即中子和質子）的原始湯。在這種條件下，隨著溫度的冷卻，這些粒子會逐漸聚集在一起形成原子核。透過追蹤這個熾熱的年輕宇宙中可能發生的熱核過程，伽莫夫和他的合作者試圖在 1948 年發表的一篇有影響力的論文中計算當前化學元素的豐度。
競爭的想法
同年，霍伊爾和奧地利出生的宇宙學家赫爾曼·邦迪和托馬斯·戈爾德宣布了一幅截然不同的宇宙圖景。他們的穩態理論假設，在大範圍內，宇宙看起來總是一樣的，而且永遠如此。根據伽莫夫的說法，「早期宇宙」和「舊宇宙」的概念在穩態宇宙學中毫無意義，因為穩態宇宙學假定宇宙沒有開始或結束。
在接下來的二十年裡，這兩個不相容的系統之間展開了一場史詩般的爭論。它經常被描述為大爆炸理論和穩態理論之間的鬥爭，甚至被個性化為伽莫夫和霍伊爾之間的鬥爭。但這是一種誤傳。
雙方以及當時大多數其他物理學家都承認宇宙正在膨脹——正如美國天文學家埃德溫·哈伯在 1920 年代末觀察到大多數星係正在遠離我們自己的星系所證明的那樣。但當今人們所熟知的宇宙起源於某個時間點的觀點被廣泛認為是不合理的。畢竟，既然時間只是隨之而來，那麼如何解釋最初爆炸的原因呢？事實上，伽莫夫的早期宇宙理論在這場爭論中幾乎沒有發揮任何作用。
相反，當時更大的問題是宇宙是否按照德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論演化，該理論預測宇宙要么膨脹要么收縮，而不是穩定的。儘管愛因斯坦的理論並不需要大爆炸，但它確實意味著宇宙過去與現在看起來不同。不斷膨脹的宇宙並不一定意味著時間的開始。勒梅特在 1927 年提出，一個不斷膨脹的宇宙可能是從一個較小的前體爆炸出來的。
一句恰當但無辜的短語
1949 年 3 月 28 日，著名的科學普及者霍伊爾在 BBC 第三節目中發表了廣播演講，在演講中他比較了這兩種宇宙觀。他提到「宇宙中所有物質都是在遙遠過去的特定時間的一次大爆炸中創造出來的假設」。這次演講確實是宇宙學術語「大爆炸」的起源。BBC 的《聽眾》雜誌全文轉載了這次演講的文字記錄，霍伊爾在他 1950 年出版的《宇宙的本質》一書中提到了這一點，該書基於他同年早些時候製作的一系列BBC 廣播內容。
大爆炸後矮星系如何照亮宇宙
儘管霍伊爾堅決否認宇宙突然起源的想法，認為從科學和哲學角度來看都是不可接受的，但他後來表示，他的意思並不是像人們經常說的那樣，以嘲笑或嘲笑的方式表達。少數支持宇宙爆炸的宇宙學家，如勒梅特和伽莫夫，都沒有被這個術語冒犯。霍伊爾後來解釋說，他需要在廣播中使用視覺隱喻來向公眾傳達技術要點，而隨意創造的「大爆炸」就是其中之一。他的意思並不是貶義，也沒有任何重要意義。
霍伊爾的「大爆炸」對於宇宙學來說是一個新術語，但它並不適用於一般背景。「爆炸」一詞通常指的是普通的爆炸，例如火藥的爆炸，而大爆炸可能只是指非常大且吵鬧的爆炸，類似於勒梅特的煙火。事實上，在 1949 年 3 月之前，氣象學家和地球物理學家的科學文獻中就有在其出版物中使用該術語的例子。雖然他們提到的是真實的爆炸，但霍伊爾的大爆炸純粹是隱喻性的，因為他實際上並不認為宇宙起源於爆炸。
大爆炸並不是什麼大事
在接下來的二十年裡，霍伊爾創造的這個朗朗上口的術語在很大程度上被物理學家和天文學家忽略了。勒梅特從未使用過「大爆炸」，伽莫夫在他眾多的宇宙學出版物中只使用過一次。人們可能會認為霍伊爾至少認真對待了它並推廣了他的造幣，但他在沉寂了 16 年後才在 1965 年回歸這一話題。直到 1957 年，「大爆炸」才出現在一份研究出版物2中，即美國核物理學家威廉·福勒（William Fowler）在《科學月刊》上發表的一篇關於恆星元素形成的論文，威廉·福勒是霍伊爾的密切合作者，也是未來的諾貝爾獎得主。
愛因斯坦如何在過去的基礎上取得突破
1965 年之前，宇宙大爆炸似乎只被提及幾十次，大部分是在科普文獻中。我統計了 34 個提到這個名字的來源，其中 23 個是流行的或一般性質的，7 個是科學論文，4 個是哲學研究。作者包括 16 名來自美國、7 名來自英國、1 名來自德國、1 名來自澳洲。這些科學論文都沒有出現在天文學期刊上。
美國哲學家諾伍德·拉塞爾·漢森(Norwood Russell Hanson) 是使用這個術語來描述宇宙起源的人之一，他於1963 年為他所稱的宇宙爆炸「迪士尼式圖片」的擁護者創造了自己的術語。他稱他們為「大爆炸者」，這個術語至今仍可以在流行文學中找到——在這些文學中，最終的大爆炸者有時被認為是上帝。
一個流行的誤稱
現代宇宙學史上的一個分水嶺很快就到來了。1965 年，美國物理學家阿諾·彭齊亞斯 (Arno Penzias)和羅伯特·威爾遜(Robert Wilson) 在報告中發現了宇宙微波背景輻射（來自整個天空的微弱無線電波浴），被認為是過去炎熱宇宙輻射的化石殘留物。1965 年 5 月 21 日，《紐約時報》宣布「信號意味著宇宙『大爆炸』」。正如伽莫夫和勒梅特所提出的那樣，宇宙確實有一個嬰兒階段。宇宙學之戰其實已經結束，穩態理論成為失敗者，大爆炸理論成為宇宙學研究的典範。然而，有一段時間，物理學家和天文學家對接受霍伊爾的術語猶豫不決。
直到 1966 年 3 月，這個名字才出現在《自然》雜誌的一篇研究文章中3。Web of Science 資料庫僅列出了 1965-69 年期間標題中包含該名稱的科學論文 11 篇，其次是 1970-74 年的 30 篇論文和 1975-79 年的 42 篇論文。20 世紀 70 年代初出版的宇宙學教科書在命名上並沒有表現出統一。一些作者使用了「大爆炸」這個術語，一些作者只是順便提到了它，而另一些作者則完全避免了它。他們更喜歡談論「標準模型」或「熱宇宙理論」，而不是不莊重且公認具有誤導性的大爆炸隱喻。
儘管如此，到了 20 世紀 80 年代，這個用詞不當已經在文學和日常言語中根深蒂固。這個短語已被英語以外的許多語言採用，包括法語 ( théorie du Big Bang )、意大利語 ( teoria del Big Bang ) 和瑞典語 ( Big Bang teorin )。德國人建構了自己的版本，即Urknall，意思是「原始的爆炸」，這個詞與荷蘭語oerknal很接近。後來嘗試用其他更合適的名字來取代霍伊爾的術語，但都慘遭失敗。
比喻的多種面貌
到 20 世紀 90 年代，「生活大爆炸」已轉向商業、政治和藝術用途。在 1950 年代和 1950 年代，這個詞經常暗指核戰的危險，就像英國劇作家約翰·奧斯本 (John Osborne) 1956 年首演的戲劇《憤怒中的回顧》(Look Back in Anger )中所提到的。核武與宇宙爆炸起源的連結可以在早在 1948 年，霍伊爾創造這個術語之前。隨著其受歡迎程度的增加，「Big Bang」開始被用來表達幾乎任何形式的強有力的開始或根本性的變化- 例如布里斯托爾會議，1927 年的一系列錄音會議，被稱為現代音樂的「大爆炸」鄉村音樂。
在英國，該術語被廣泛用於 1986 年倫敦證券交易所的重大轉型。當年 10 月 26 日《星期日快報》雜誌寫道：「明天大爆炸之後，這座城市將不再一樣。」 這種用途傳播到了美國。1987年，語言學雜誌《American Speech》將「Big Bang」納入其新詞列表，並將「big banger」定義為「參與倫敦證券交易所大爆炸的人」。
如今，在網路上搜尋「大爆炸理論」時，您首先不會想到宇宙學，而是看到一部流行的美國情境喜劇。七十五年過去了，霍伊爾如此隨意地創造的這個名字確實已經變成了一個像魚叉一樣的詞：一旦插入就很難拔出來。