2009年夏，臺灣國立理論中心和臺灣大學梁次震粒子天體物理中心聯合舉辦了一個高強度的暑期學校。主題是宇宙學。整整四天，每天白天上課8小時，傍晚外 加討論。集體吃飯盒，無午休。很像是集訓。居然有二百多人從頭到尾參加。除了對宇宙起源有神秘感的年輕學生外，給錢的，管錢的，捐錢的也有來的，都想知 道：正在成為一門大科學（Big Science）的宇宙學，到底在玩什麼？在結業式上，主辦者陳丕燊教授，要我作一個總結髮言。本文就是該發言的通俗簡化普及版。希望內行人看物理，外行人看熱鬧。
兩參數年代
現代宇宙學雖然是愛因斯坦早在1917年開創的，但直到1960年代，熱衷此道者並不多。沒有物理系開設宇宙學課，也沒有物理研究所以宇宙學為主題。原因 簡單，幾十年裡，宇宙學只有一項觀測——哈勃（E.Hubble，1889-1953）的河外星系紅移律，它被解釋為宇宙膨脹。到1970年，哈勃的嫡傳 弟子桑德奇(A. R. Sandage，1926- )還宣稱，宇宙學就是追求兩個數：宇宙膨脹的速率和宇宙膨脹的減速率。一旦兩個參數測準了，宇宙學就算完成了[1]。
果真如此，宇宙學很難激起物理學家的研究熱情，只能是物理學的一個邊緣。
劍橋大學的盧瑟福（(Ernest Rutherford, 1871—1937)有句名言：只有物理學才能算是真正的科學，其它的（學科）都不過是在“集郵”而已。
宇宙學雖然有愛因斯坦為之站臺，但比起盧瑟福的研究，確實有差距。盧瑟福的著名工作是用實驗證實了原子中有個原子核。上世紀初，原子論剛剛確立，大多數物 理學家剛剛接受了“物質是由原子構成的”。但還遠遠無法直接“看到”原子，更無法看到原子內部。有人說，原子的內部就像一塊布丁，軟囊囊的，有幾個電子嵌 在其中；也有人說，原子的內部像一個小太陽系，有個很硬的核，電子繞核轉動，像“行星”。原子到底是軟還是硬？盧瑟福設計了一個散射實驗，檢驗原子的內部 結構模型。他的結果證偽了布丁模型，支持了有核模型。
按盧瑟福的看法，一個學科，如果沒有理論模型，沒有可檢驗的預言，沒有設計實驗去證實或證偽“看不見的”的結構模型，那就還算不上是科學。那種學科裡的數據，充其量不過是集郵。
以此衡量宇宙學，哈勃之後，許多物理學家接受了“宇宙膨脹論”，也接受了宇宙年齡是有限的。問題是，早期宇宙“是軟還是硬”，是冷還是熱？能不能像盧瑟福 探測 “看不到的”原子內部那樣，探測“看不到的”宇宙早期？宇宙現在的年齡是一百三十億年左右，能不能以實證方法研究宇宙早期的物理狀況？如果不能，宇宙學就 還沒有完全脫離“集郵”水平。
在一百多億年後的今天，我們真能探知一百多億年之前發生的事嗎？
“能！”伽莫夫（G. Gamow, 1904-1968）答。
“灰燼”學
伽莫夫原是蘇聯物理學家。早年，他與另外兩位年輕的蘇聯理論物理學家，伊萬年科（D. Ivanenko， 1904-1994），和朗道（L. Landau, 1908-1968，1962物理學諾獎獲得者），號稱“三劍客”。三人一度追求同一位女生。1928年，三人還以劍客風度，合作寫了一篇具有宇宙學意義 的論文“World constant and limiting transition”， 獻給該女生[2]。結局是誰也沒追上。隨後，“三劍客”分道揚鑣了。1933年，伽莫夫叛逃西方。1934年，向盧瑟福借了一筆英鎊，買船票，去了美國。
伽莫夫認為，我們能夠觀測研究宇宙早期。他的論據是，“根據一顆核彈爆炸一百多天後留下來的‘灰燼’，我們就能推知核爆炸最初幾個微秒時的物理狀態。為什 麼不能根據大爆炸一百多億年後留下來的‘灰燼’，推知宇宙最初幾小時或幾分鐘時的物理狀態？” 更簡單地說，根據你家的爐灰，就能知道你家前幾天爐子裡燒了什麼。
伽莫夫的這個論證，是基於核彈研究的成果。核彈爆炸的“灰燼”是一些放射性同位素。2009年5月，北韓的秘密核爆後，根據WC-135偵察機在大氣裡收集到的微量的異樣放射性同位素，就斷定了該核爆的物理參數。
1940年代末，伽莫夫和他的學生阿爾法（R. Alpher， 1921-2007）根據核物理研究宇宙大爆炸留下的灰燼。他們的結論是，宇宙大爆炸的主要“灰燼”，是輕的化學元素，如重氫（或氘），氦等。他們斷言， 如果現今的“氫氦比”起源於大爆炸，那末，今天的宇宙溫度應是5度（絕對溫度）左右。這是第一個宇宙“灰燼”學（學名應是宇宙學的核合成學）的預言。阿爾 法-伽莫夫預言所用的物理理論，與核彈的“灰燼”學一樣。
在二戰期間，伽莫夫並沒有參加過核彈製造。因為他年輕時曾是蘇聯紅軍，軍銜上校，不受美國當局信任。不過，他的朋友特勒（E. Teller, 1908-2003）在曼哈頓項目（Manhattan Project）的物理理論部工作。兩人曾有合作。他們出名的一項工作是，伽莫夫-特勒 beta-衰變理論。合作者之間的物理思想的交流，當局想管也管不著。伽莫夫熟知核彈“灰燼”學理論方法。二戰後，從核彈製造業下崗的物理學家，有些也轉 到了宇宙“灰燼”學研究。
可惜，阿爾法-伽莫夫的預言太早了，當時還難於探測天空背景的5度輻射。他們的預言很快被遺忘了。1960年代，普林斯頓的迪克（R. Dicke，1916-1997)和他的學生重新得到阿爾法-伽莫夫的結論——有宇宙背景溫度輻射。迪克不僅專精廣義相對論和宇宙學，而且是電磁波探測器 的技術專家，他發明的射電度量器， 就命名為迪克度量器。迪克和他的學生打算用他的度量器檢驗宇宙背景溫度輻射預言。可惜，他們晚了半步。儀器還沒有裝好，貝爾電話公司的A.Penzias 和 R.Wilson就宣佈，用迪克度量器探到了背景溫度輻射。不過，Penzias和 Wilson原本目的並不是驗證宇宙“灰燼”學的預言，他們甚至不知道這個預言。Penzias和 Wilson目的是發展低噪聲微波天線，為貝爾電話公司的衛星通訊服務。背景溫度輻射這個意外的發現，使Penzias和 Wilson不意外地獲1978物理諾獎。現在知道宇宙背景溫度是2.725度，測量準確到萬分之一。宇宙學走向精確化。
醉後狂言天安門
此後不久，1986年夏，國際天文學聯合會（IAU）在北京及時地召開了第124屆討論會（IAU-124）。論題是“觀測宇宙學”。這是IAU討論會第一次以此為題。也是國際天文學聯合會第一次在北京召開討論會。
插一個故事，IAU的組織法，像聯合國，有會員國制。其中有兩個會員國，正式名稱分別是：中國南京（China Nanjing），中國臺北（China Taipei）。以此稱呼臺灣海峽兩岸政治實體，實數少見。在座的諸位，如果熟悉海峽兩岸關係史，就能猜得出來，這種稱呼法，是誰的主意？（提示∶在研究 過宇宙學的學者圈子裡找。）在組織國際會議時，要特別注意正式名稱。在致祝酒詞時必須說∶“我們`中國南京’宇宙學家歡迎大家來….”
就這樣，各國知名的和不知名的宇宙學家們，大都被歡迎來北京了。
8月29日晚，全體與會者，像美國總統尼克松一樣，在人民大會堂國宴廳受到頂級的款待（見圖1）。一個個禁不住中國酒肉的穿腸過，開始放浪形骸。
宴畢，只見半醒半醉的二百多人，趔趔趄趄地步出希臘廊柱式的人民大會堂，晃晃悠悠地走上世界第一大的天安門廣場。可能是秋夜的薰風使酒力大發，一個個狂言 不斷。有的大呼“排場，真夠排場，可比路易十四的鏡廳王族宴”，有的喃喃自語“值了，值了，報名費沒白交” Sandage則酒後吐真言∶“這次討論會標誌著觀測宇宙學真正開始了”。不再提他的兩參數宇宙學了。Sandage的真言被不太醉的M. Longair聽到了。後者，後來是英國皇家天文學家（Royal Astronomer），即女皇伊麗莎白二世陛下的司天監監正 （他們都在圖1中的主桌上）。
第二天，8月30日，會議閉幕，由Langair作總結，他的開場白就引用Sandage的天安門酒後真言“This symposium marks the real beginning of observational cosmology”.[3]。就這樣，天安門廣場又多了一條光榮——觀測宇宙學的正式誕生地。
圖1∶IAU-124“觀測宇宙學”討論會正式晚宴主桌。在北京人民大會堂國宴廳。在座的有（從最靠近畫屏的地方數起）：G.Burbidge (美, 基特峰國家天文臺主任)，錢學森（中國科協），M.S.Longair (大不列顛女皇陛下“司天監監正”)，吳甘美（中國科協），J.Audouze(法，巴黎天文臺臺長，後為法國總統密特朗的科學顧 問)，A.Sandage（美, 加州理工學院），K.I.Kellerman（美，國家射電天文臺臺長），G..Setti (意，歐南天文臺執行主任)，宋健（國家科委主任），H.Arp（德，馬普天體物理研究所），王綬管（北京天文臺臺長） V. Rubin (美，暗物質研究開拓者) 等。站立致祝酒辭者是方勵之（中國科學技術大學）。
挺進大科學
Sandage的真言的確不假。IAU-124前後，宇宙學開始到處擴張，所到之處，無往不勝。熱大爆炸模型預言宇宙中應有什麼，就找到了什麼。
宇宙“灰燼”學預言：氘與氫之比應是十萬分之一。如此小的成分，居然由衛星觀測證實了。不少人認為，“氘氫比”一項，足具有獲物理諾獎資格。可惜，主要貢獻者之一，自駕飛機墜毀，失去被提名資格。
又一次，Physical Review Letters （影響指數最高的物理原創論文期刊）發表一篇核實驗文章，說電子微中子（大陸譯為中微子）的質量是17電子伏。此文立即遭到大爆炸宇宙學的迎頭痛擊。在大 爆炸模型看來，微中子的質量應不超過1電子伏。後來，果然無人能重複那個17電子伏實驗。
大爆炸宇宙學又預言，宇宙背景輻射不是完全均勻的，應有十萬分之一左右的小起伏，1989年上天的衛星COBE，果然測到了背景溫度小起伏。這個結果得到2006物理諾獎（得獎者為J. Mather和 G. Smoot）。
1980年代後，各個基礎物理研究所，粒子物理研究所，紛紛成立宇宙學研究室。物理系紛紛開設宇宙學課。支持宇宙學研究的經費（國際合作的，國家的，私人基金會的）迅速增加。宇宙學終於邁進了大科學的門檻。
來宇宙學淘金淘寶的人，愈來愈多了。現在，宇宙學可不是個小店了，倒像是一個超級市場（見圖2）。圖中的每個徽記，是一個觀測或實驗宇宙學項目。圖中徽記 遠遠不全。觀測宇宙學項目也無處不在，有上山的，有鑽山洞的，有設在空間站的，有下礦井的，有潛入深海的，有在南極大陸的，還有想去月球的。
每一個徽記都可以寫一篇如何在宇宙學淘寶淘金的“偵探”故事。臺灣時下流行的D.布朗小說“天使與魔鬼”等，不過就是這類真故事的“再瞎編”。
暗物質，暗能量的故事，可能人人聽過了。不講了。只講一個“小”故事∶21CMA。
圖2，宇宙學超級市場。其中每一個徽記（logo）代表一個已在進行，或將要進行的觀測或實驗宇宙學項目。
第一縷光在新疆
聖經有言“要有光（Let there be light）”。據說是上帝說的。但是，上帝沒有告訴我們什麼時間有了光，也沒有告訴我們這第一縷光是什麼顏色（波段）的。
宇宙學常常同上帝玩一樣的課題。而且常常比上帝玩得更認真，更仔細，更執著。
大爆炸模型預言，宇宙間的第一縷星光大約出現在宇宙年齡一億年左右。在地球上可以接收到的第一縷光應是“紅移了的21釐米電磁波”。所以，尋找天外來的“紅移了的21釐米電磁波”，是當今觀測宇宙學的一個前沿，一大熱門。這個項目既重要又富有挑戰性。
重要性，自不待言，它是再一次檢驗大爆炸模型的預言。
挑戰性，看看下圖（圖3），就明白了。
目前，世界上至少有四個“尋找紅移了的21釐米電磁波”的大項目。其中最小的一個，是21CMA，迄今已用掉數百萬美元了。該項目設在中國新疆的西北，在 天山腳下。不要輕信“天山頌”唱的詩情畫意，那是廣告。相反，在21CMA基地，畫意也許有，詩情絕無。茫茫高原，遠離人間煙火，荒漠，寒冷，單調不變的 白色的雪，偶有不良動物出沒。長期堅持，等待宇宙第一縷光，即等待一百三十億年前第一代星發來的信號。這種研究對心理素質的挑戰，堪比“長存抱柱信”。足 夠寫一本偷窺宇宙起源的驚險浪漫小說。
我沒有去過21CMA的新疆基地（原因不證自明），雖然那裡有我的合作者。只能請他們來美國來歐洲或來臺灣，報告他們的進展。我在1976年曾參加過一項觀測：在北半球監聽南半球打雷傳來的哨聲。也是堅持和等待，略知那種挑戰的分量。
更大的挑戰是，觀測到的信號，是否具有宇宙學價值？抑或只有“集郵”意義？沒有把握。
圖3∶設在天山腳下的（紅移的）21釐米接收天線陣列。其上有10287個對數週期天線。
非標準模型
“大爆炸模型一定對嗎？”經常聽到外行者如是問。
波爾（N.Bohr, 1885-1962，1922物理學諾獎獲得者）強調，在回答一個問題前，先要考察一下問題本身是否有意義（因為任何問題都有預設，有的預設就錯了）。
巴基斯坦籍物理學家薩拉姆（A. Salam，1926-1996，1979物理學諾獎獲得者）曾說（大意）：物理學的榮光就在於，它常常是從錯誤的基本原則出發得到正確的結果。例子太多 了。牛頓力學的基本原則“絕對時空”，是錯的；熱為“熱質”的基本模型，是錯的；電磁波是以太中的彈性波，也不對。波爾原子模型的基本假定，從一開始就不 自恰。但經典力學，量熱學，電動力學的結果都是正確的，波爾模型算出的譜線波長，也正確。可見，在這裡如果問“XXXX一定對嗎？”，即要求或黑或白的全 稱答案，就太初級了，還停留在陰陽論等原始哲學水平。正確一點的問法應當是∶還有那些理論上的不自恰？能不能通過重要的觀測檢驗？還有那些問題尚待解決？ 以及，那裡有smoking gun ？（此詞來自一洋典故。在宇宙學文獻中已常用。尚無公認漢譯。大意是“鐵證如山”中的“鐵證”。）
在宇宙學界，大爆炸模型被稱為標準模型。質疑標準模型，企圖建立另類宇宙演化模型的研究，被稱為非標準探索。在宇宙學學術會議上，常有非標準模型的報告和討論。
IAU-124 就設有 “非標準探索”（non-standard approach）專題[3]。IAU-124特別重視非標準模型，因為IAU-124國際組織委員會的主席Burbidge本人就是一位另類模型者。在 宇宙學界，F. Hoyle, Burbidge夫婦（Geoffrey和Margeret），及H. Arp，是有名的HB2A四人幫，質疑大爆炸標準模型。其中Hoyle以穩恆態宇宙模型聞名於世。Arp是河外天文學家，他專門尋找反例，為難哈勃及 Sandage 的河外星系紅移律。
Burbidge等 IAU-124組織者知道，中國在1970，80年代有很強的批判宇宙大爆炸模型的聲音。要我推薦一兩位大爆炸模型的批判者，邀請他們在“非標準探索”專 題上作學術報告，陳述對大爆炸模型的質疑和批判。我推薦了兩位∶胡喬木，錢學森。前者未被邀，因為組織者們認為，胡為政治家（中國當時意識形態最高負責 人），恐怕做不了學術報告，而IAU會議不提供意識形態講壇。後來想，如果當時邀了胡先生，而把的他馬克思主義宇宙論歸為“非標準”一類，將會有怎樣的 “非標準”事件發生？
組織者給錢學森先生髮了邀請。但錢先生沒有提出學術報告，也沒有發表任何評論。而只出席了吃飯（見圖1），坐在Burbidge旁邊。可惜，酬酢之際，在座者沒有聽到他對大爆炸標準模型質疑和批判，也沒有聽到他對HB2A四人幫非標準觀點的評論。
誠如薩拉姆對物理發展所概括的，大爆炸標準模型的一些基本觀念有可能被超越。但它的原則和結果，像其它的物理領域的原則和結果一樣，已為物理學增添了榮光。
在盧瑟福的意義上，宇宙學已是一門真正的科學。它是當今物理學的主流之一。 [1] A. Sandage, Cosmology：A Searching for Two Numbers, Physics Today, February, (1970) [2] L. Okun, Physics of Atomic Nulei，65, 1370, (2002) [3] IAU-124討論會紀錄，Observational Cosmology, eds. A. Hewitt, G. Burbidge, Li-Zhi Fang, Reidel，(1987)
2009，12， Tucson
□ 寄自美國
刊登在 2010 華夏快遞 kd100127.
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