歷史 物理

探索宇宙的神父

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撰文者:高崇文
發文日期:2019-07-13
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  • The Big Bang Theory (中譯為生活大爆炸)在物理圈裡是蠻受歡迎的美國影集,這部影集設定在加利福尼亞州的帕薩迪納市,劇情圍繞著三位虛構的加州理工學院天才和一位麻省理工學院的工程師的生活。住在他們對面的是一位漂亮的金髮餐廳女服務生Penny,她的志向是成為演員。四位主角的書呆子氣與Penny的社交能力形成了鮮明的對比,讓全劇充滿了逗趣的喜劇色彩。尤其主角Sheldon 的奇言異行和極端自戀的模樣更是被物理學家拿來自嘲嘲人。在播出十二年後,終於於2019年5月16日第12季播放後結束。整齣劇當然是虛構的,但是劇名The Big Bang Theory 不但是貨真價實的物理理論,而且還是主導過去幾十年宇宙論飛躍發展的基石。可是最早提出The Big Bang Theory (大霹靂理論)的可不是像Sheldon 這種傲慢自大又神經兮兮的怪胎,而是一位虛懷若谷又溫文有禮的比利時神父! 這個反差夠大吧! 想來應該沒有電視台有興趣把這位謙遜有禮的神父搬上銀幕,今年適逢他一百二十五歲冥誕,就讓阿文我來為你介紹這位了不起的科學家吧。

     

    喬治·亨利·約瑟夫·愛德華·勒梅特(Georges Henri Joseph Édouard Lemaître,1894-1966)於1894年七月十七日出生於比利時的沙勒羅瓦(Charleroi),他們家有十四個小孩,喬治是老大。勒梅特在當地耶穌會辦的中學完成教育後,1911年進入天主教魯汶大學攻讀工程。但是他除了工程以外,也上了發現質數定理的萊普森(Charles de La Vallée Poussin 1866-1962)所開的數學分析(所謂質數定理描述質數在自然數中分布的漸進情況,給出隨著數字的增大,質數的密度逐漸降低的直覺的形式化描述。1896年法國數學家雅克·阿達馬(Jacques Solomon Hadamard,1865-1963)和萊普森先後獨立給出證明。證明用到了複變分析,尤其是黎曼ζ(zeta)函數。)而教他們力學的老師Ernest Pasquier 還是位天文學家,勒梅特是第一次從Pasquiers那裡聽到宇宙論這門學問。他還到Institut Superieur de Philosophie 上新多馬斯阿奎納哲學的大師Désiré-Félicien-François-Joseph Mercier(1851-1926)的哲學課。1913年勒梅特拿到工程的學位,擔任礦業工程師。

     

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    當一戰在1914年爆發時,勒梅特和他的弟弟Jacques一同加入比利時陸軍,擔任第五志願軍團的砲兵軍官。一開戰就參加了Yser 戰役,這場戰爭粉碎了德軍速戰速決的期待。勒梅特還因為戰功獲頒勳章Croix de guerre。第一次世界大戰結束後,勒梅特回到魯汶大學,改讀物理與數學,並且準備獻身接受聖職。他在1920年取得博士學位,他的指導教授正是Charles de la Vallée-Poussin。原本他研究主題是黎曼zeta函數與質數的關係,就是赫赫有名的黎曼猜想,但是這個題目太難了,所以他換了題目。博士論文題目是l'Approximation des fonctions de plusieurs variables réelles (多實數變數函數的近似法)。拿到數學博士之後,勒梅特加入Maison Saint Rombaut 學習神學。神學院的主持人正是Mercier大主教。
     

    Mercier主教曾在一戰時號召比利時信眾抵擋德國的入侵而被德軍軟禁過。所以戰後他成了國民英雄。但是這位樞機主教對科學採取相當開放的態度,甚至鼓勵勒梅特去研究相對論,1923年九月二十三日他被升做樞機主教的Mercier 按立正式成為神父。在拿到公費補助之後,1923年冬天勒梅特前往英國,在劍橋大學的St Edmund's House(現在的St Edmund's 學院)擔任大天文學家愛丁頓(Arthur Eddington 1882-1944)的研究助理。愛丁頓開啟了勒梅特的眼界,特別是宇宙論,天體物理學以及數值分析。隔年他到美國波斯頓,他在哈佛大學天文台接受Harlow Shapley的指導,了解他的星雲觀測的成果,他甚至還在麻省理工學院註冊當博士生呢。為何不在哈佛呢?因為當時哈佛還沒有授與天文物理博士學位。

     

    1925年勒梅特回到比利時,在愛丁頓的大力推薦下,成為魯汶大學的副教授。從此時,他開始撰寫一篇論文,這篇論文的題目是Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques" (固定質量的均勻宇宙與銀河系外星系的縱向速率)。在這篇論文中他發表了愛因斯坦場方程的一個嚴格解,這個解後來被稱為弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規(Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker metric)並由此指出宇宙是膨脹的,當時俄國數學家弗里德曼(Alexander Friedmann 1888 – 1925)也發表了同樣的解,但勒梅特並不知道弗里德曼的工作。一來因為他在蘇聯,與外界隔絕,再者在1925年弗里德曼就英年早逝了。
     

    然而勒梅特更進一步,利用宇宙膨脹來解釋當時觀測到遠方星系的星光巨大的紅位移。紅位移是指星光的特定光譜線與地球看到光譜線的波長要長,這是因為星球以高速遠離地球所產生的都普勒效應。勒梅特還推導出遙遠星系與地球的距離與它的遠離速度的關係,這個關係後來被稱為哈伯定律。他甚至估計了哈伯常數的實驗值。勒梅特花了兩年才完成這篇文章。
     

    兩年後,這篇論文發表在Annales de la Société Scientifique de Bruxelles (Annals of the Scientific Society of Brussels)。由於這個期刊只在比利時流通,所以並沒有引起太多的迴響。當時愛因斯坦是少數知道他的論文的科學家,雖然他發現勒梅特的計算數學上沒錯,但是他對宇宙會膨脹這回事是完全不能接受,當時愛因斯坦到布魯塞爾參加著名的第五次索爾維會議。兩人在the Free University of Brussels (ULB)初次見面。愛因斯坦曾當面跟勒梅特說了這樣一段話: "Vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable (你的計算是沒錯,但是你的物理糟透了!) 嗯,不知勒梅特當時心中怎麼想呢?
     

    就在這一年,勒梅特回麻省理工學院口試,拿到物理博士,他的指導教授是Harlow Shapley,論文題目是"相對論中均勻密度的流體球的重力場"(The gravitational field in a fluid sphere of uniform invariant density according to the theory of relativity.) 這是他第二個博士學位。回到比利時之後他成為魯汶大學的正式教授。
     

    1929年美國天文學家愛德溫·鮑威爾·哈勃(Edwin Powell Hubble,1889-1953)根據對遙遠星體的觀測發表論文,證實遙遠星系遠離地球的速度與相對於地球的距離成正比,後世稱為哈伯定律,他並給出宇宙的膨脹速率,後世稱為哈伯常數。這引起了愛丁頓的興趣,勒梅特知道了以後將自己之前的論文寄給了愛丁頓。愛丁頓請人將勒梅特的論文譯成英文發表在Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,勒梅特的成就才廣為人知。這時已經是1931年了。愛丁頓稱這篇文章是"brilliant solution",因為它回答了天文學長期無法回答的奧伯斯佯謬。所謂奧伯斯佯謬是由德國天文學家奧伯斯於1823年提出的問題:如果宇宙是穩恆,無限大,時空平直的,其中均勻分布著同樣的發光體,由於發光體的照度與距離的平方成反比,而一定距離上球殼內的發光體數目和距離的平方成正比,這樣就使得距地球距離──全部發光體的照度的積分不收斂,黑夜的天空應當是無限亮的。依照勒梅特的理論,由於宇宙膨脹,所以遠方星光產生紅外移,不再是可見光,而是微波,自然就解決了奧伯斯佯謬。再者,宇宙的年齡是有限的,自然也非無限大,所以全部發光體的照度的積分不會發散。所以勒梅特名聲大噪。但是很奇怪的是有關哈伯常數的那一段卻沒有被翻成英文,這件事情引起後人許多的臆測,甚至有人懷疑是哈伯動了手腳。因為勒梅特的文章比哈伯的文章還早兩年呢。
     

    這件事直到2011年,物理學者 Mario Livio 才在期刊"Nature"刊登了一篇文章: Hubble cleared Nature volume 479, page 150 (10 November 2011)才解開謎團,在翻閱了大量的文獻後,Livio發現原來是勒梅特當年自己在翻譯過程中自己拿掉那一段,因為當時哈伯已經藉著新的觀測結果得到新的數值了。事實上勒梅特還是第一個主張宇宙不僅在膨脹,而且膨脹很可能正在加速。這是因為如果宇宙以穩定的速度膨脹,那麼它覆蓋半徑的時間太短,不足以形成恆星和行星。勒梅特通過愛因斯坦的宇宙常數來解決這個問題。愛因斯坦原本用它來保持宇宙穩定的大小,勒梅特反過來用它來加速宇宙的膨脹。這個大膽的臆測在九零年代透過對IA類超新星的觀測而得到證實,Saul Perlmutter,Brian Paul Schmidt和Adam Guy Riess三人得到2011年的諾貝爾物理獎。
     

    論文被翻成英文後,勒梅特被英國科學促進會邀請參加一個在倫敦召開討論物理宇宙與靈性的關係的會議。在那次會議勒梅特第一次提到宇宙是由一個初始點開始一路膨脹,他稱之為本初原子"Primeval Atom"。後來他把這個想法寫成文章,登在期刊Nature 上。這篇其實是回覆愛丁頓之前在Nature刊登的一篇批評宇宙膨脹的文章。他運用愛丁頓篤信的熱力學第二定律當作主要的理由。
     

    "本初原子理論"第一次廣為人知是在1932年十二月一期Popular Science 雜誌上。勒梅特的本初原子理論一開始飽受質疑,愛丁頓覺得勒梅特用的符號"看了讓人不爽(unpleasant),愛因斯坦當然也不以為然,不過他還是鼓勵勒梅特去研究非均向膨脹的可能性,同時也很有風度地接受勒梅特論證愛因斯坦自己的穩定宇宙模型無法延伸到無限的過去。至於"Big Bang theory"這個名字則是1949年英國廣播公司在訪問天文學家Fred Hoyle (1915-2001) 時,Hoyle造成來消遣勒梅特理論的"戲稱"。Hoyle 一直到2001年時都堅信宇宙是穩定的! Hoyle 可不是泛泛之輩,Hoyle和Burbidge夫婦(Geoffrey 和Margaret)、William Fowler四人提出了元素合成理論,即著名的B2FH理論。Fowler還因此得了諾貝爾物理獎。由此可見宇宙會膨脹這件事有多難以置信了。
     

    勒梅特的研究不限於數學味十足的相對論而已,他與麻省理工學院的Manuel Sandoval Vallarta (1899 – 1977)共同研究宇宙射線強度與緯度的關係,背後主要的因素是地球磁場和宇宙射線中帶電粒子的交互作用。在研究過程中,他們用上Vannevar Bush 在麻省理工學院發展的計算器differential analyzer computer。他們研究了太陽磁場以及星系旋轉產生的效應。
     

    1933年勒梅特找到了描寫球狀星塵雲的愛因斯坦場方程的解,稱為Lemaître–Tolman metric,並且將他累積關於本初原子理論的成果整理後投到Annals of the Scientific Society of Brussels, 這讓他更加出名了。這一年他到美國,在The Catholic University of America 擔任客座教授,期間他訪問加州理工學院,發表演講介紹他的宇宙射線理論,愛因斯坦也在場,當勒梅特演講完,愛因斯坦站起來鼓掌,據說他曾說: This is the most beautiful and satisfactory explanation of creation to which I have ever listened. 不過愛因斯坦當時指的是整個理論還是指勒梅特主張宇宙射線可能是原初大爆炸的"遺跡",則是眾說紛紜。但是New York Times 登出一大篇報導並且刊出一張勒梅特與愛因斯坦的合照底下還寫著"They have a profound respect and admiration for each other."讓勒梅特出足了風頭倒是不爭的事實。

     

    在國際上嶄露頭角的勒梅特逐漸成為比利時科學界的代表人物。1934年三月十七日獲得比利時科學界最高榮譽的法朗基獎Francqui Prize。 他是從比利時國王利奧波得三世手上拿到這個獎。提名他的人是Albert Einstein, Charles de la Vallée-Poussin 和 Alexandre de Hemptinne。而評審團是由Eddington, Langevin, Théophile de Donder 和 Marcel Dehalu組成。1936年勒梅特還被選為宗座學術院Pontifical Academy of Sciences 的成員,宗座學術院是梵蒂岡的科學研究機構,由教宗庇護十一世創建於1936年。其目的是促進數學、物理和自然科學的進步和研究。他在其中非常活躍,1960年三月他成了院長,院長是由教宗直接任命的。勒梅特一直擔任這個職務到過世為止。
     

    二戰爆發後,勒梅特在比利時,隨著戰況吃緊,1940年五月十三日勒梅特回到故鄉,打算離開比利時,沒料到納粹德國的攻勢凌厲異常,五月底敦克爾克戰役開始,六月初比利時就被德國佔領了,勒梅特只好回到魯汶。當布魯塞爾自由大學被納粹德國關閉之後,他在魯汶接待從那裡來的許多學生。1941年勒梅特被選為比利時皇家科學藝術學術院。1944年五月十一日深夜魯汶大學遭到盟軍轟炸全毀,勒梅特的公寓也被炸毀,勒梅特受了重傷,在醫院待了一陣子。
     

    與許多比利時人一樣,勒梅特撐過了嚴酷的納粹佔領時期,迎接戰後的復興。1946年他出版了L'Hypothèse de l'Atome Primitif (本初原子假設). 這本書很快就被翻成西班牙文,四年後被翻成英文。除了物理之外,勒梅特在數學上也有貢獻。1948年勒梅特發表了一篇數學論文"Quaternions et espce elliptique"。早在1873年數學家威廉·金登克利福德(William Kingdon Clifford)曾經隱晦地描述過橢圓形空間,但是勒梅特從四元數理論出發,使他的論文不必倚賴其他假設而成立, H. S. M. Coxeter是橢圓幾何的另一個貢獻者,他在期刊Mathematical Reviews寫了篇文章總結了勒梅特的工作。勒梅特不只對幾何有貢獻,他愈年邁愈對數值計算產生興趣。他本身計算能力就相當出眾。從1930年他就開始使用當時最具威力的Mercedes-Euklid來計算。1958年他還用上當時大學的第一台電子計算機Burroughs E 101。勒梅特甚至對電腦程式語言也很有興趣。他還發明了Fast Fourier transform 的演算法。他甚至寫過文章主張二進位勝過十進位呢!


     

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    圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Georges_Lema%C3%AEtre#/media/File:Mus%C3%A9e_L_0032.jpg
     

    1951年 教宗庇護十二世宣布勒梅特的理論提供了天主教義的科學證據,但是勒梅特對此不以為然,因為他覺得他的理論與他的宗教信仰是無關的。勒梅特與Daniel O'Connell 身為教宗的科學顧問說服教宗不要公開宣布"創造論",也不要針對科學的宇宙論發表教諭。勒梅特雖是虔誠的天主教徒,但是從不將科學與宗教混為一談。受到完整的多瑪斯阿奎納哲學的訓練的勒梅特小心翼翼地將物理的開端與哲學中的"創造"分別開來,所以對教宗把大霹靂論與聖經的"創造相提並論非常敏感。第二次梵諦岡大公會議在1962年召開,勒梅特被當時的教宗若望二十三世邀請擔任討論節育的會議主持人。勒梅特因為健康因素而婉拒,他也與好友多名尼課教團成員Père Henri de Riedmatten 表示,讓數學家去主持專業之外的事務是蠻危險的。勒梅特一生謹守分際,他的神職身分與科學成就互不混淆,也是一絕。
     

    從五零年代開始,勒梅特逐漸從杏壇淡出。各項榮譽也紛紛來到,他在1953年得到了皇家天文學會頒發的愛丁頓獎章。1954年他被提名諾貝爾物理獎,1956年甚至還被提名了諾貝爾化學獎。1960年他被繼任的教宗若望二十三世封為Dometisc prelate (Monsignor) 。但是他也捲入了比利時的政治紛爭,1962年他強力反對將講法語的師生從魯汶大學驅逐出去。他甚至與Gérard Garitte發起ACAPSUL運動來阻止魯汶大學的分裂。在勒梅特有生之年,魯汶大學勉強維持合一,但是在1968年說荷蘭語的教授和學生要求將說法語的人士趕出學校,兩方發生嚴重衝突。當時的比利時首相范登·博埃南(Vanden Boeynants)不同意學校分裂,結果比利時政府中有八位說荷語的大臣離職,導致內閣空虛;范登·博埃南無力支撐局面,不得不宣布辭職。新大選之後,比利時政府最終作出裁決:天主教魯汶大學一分為二。1970年,天主教魯汶大學正式分裂成兩所大學:(荷蘭語)天主教魯汶大學(KUL,簡稱荷蘭語魯汶)與(法語)天主教魯汶大學(UCL,簡稱法語魯汶)。前者留在原址,後者絕大部分系遷往新建的新魯汶,其醫學院遷往布魯塞爾附近。
     

    1964年他飽受心臟病之苦,退休成為魯汶大學的名譽教授。這時他已經七十高齡了。就在這年,Arno Penzias和同在貝爾電話公司工作的Robert Wilson使用一具為早期通訊衛星設計的天線,接收到了來自天空的均勻、且不隨時間變化的訊號。1965年,他們二人在《天體物理學報》上發表了題為《在4080兆赫上額外天線溫度的測量》的論文,宣布了這個發現。隨後,普林斯頓大學的Robert Henry Dicke等人在同一雜誌上解釋道,這就是宇宙微波背景輻射。宇宙微波背景輻射的發現為宇宙大爆炸理論提供了有力證據。Penzias和Wilson也因此獲得1978年諾貝爾物理學獎。1966年六月二十日,勒梅特在得知科學家發現宇宙微波背景的消息後不久在魯汶逝世。八零年代,宇宙學家Alan Guth 與Andrei Linde 提出暴漲理論,讓大霹靂學說更加完備。這個當年飽受質疑的理論,現在已經成為宇宙論課堂上的標準教材了。
     

    2018年10月,國際天文聯合會通過投票決定將哈勃定律更名為哈勃-勒梅特定律,以紀念勒梅特在發現宇宙膨脹方面的貢獻。所謂"桃李不言,下自成蹊。" 科學家謙遜如勒梅特者所在多有,他們的成就,假以時日都會得到認可。倒是像電視劇The Big Bang Theory中主角Sheldon這類狂妄自大的科學家雖說不是沒有,卻只是極少數,到頭來,面對悠悠天地,浩翰宇宙,人算得了什麼? 阿文希望喜歡觀看《生活大爆炸》的影迷們,不要對科學家產生錯誤的幻想才好。
     

    參考資料:

    (一) 中文 英文 法文 荷文 義大利文 維基相關條目

    (二) The Faith and Reason of Father George Lemaître by Joseph R. Laracy

    (三) A. Berger, ed., The Big Bang and Georges Lemaître (New York: D. Reidel Publishing, 1984),

    (四)The Atom of the Universe. The Life and Work of Georges LemaîtreA full-scale portrait of one of the fathers of modern cosmology by Dominique Lambert

    (五) MacTutor History of Mathematics archive

     

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