物理世界奇遇记：海滩饭店的神秘发现

在海滩饭店的第一天晚上，汤普金斯先生和老教授以及他的女儿一起吃饭，老教授在谈论宇宙学，他的女儿在谈论艺术。汤普金斯先生最后回到房间之后一头倒在了床上，用毯子蒙住自己的脑袋。波提切利和邦迪、萨尔瓦多·达利和弗雷德·霍伊尔、勒马特和拉芳丹在他疲惫的脑子里搅成一团，最后他陷入了沉睡……

半夜的某个时候，他醒来时有一种奇怪的感觉，他不是躺在舒适的弹簧床垫上，而是躺在坚硬的东西上。他睁开眼睛，发现自己倒在了一块大石头上，他最开始以为那是海滩上的一块大石头，后来他发现那其实是一块巨大的石头，直径约9米，悬浮在太空中而看不到任何支撑物。岩石上覆盖着一些绿色的苔藓，在一些地方，小灌木从石头的裂缝中生长出来。岩石周围的空间被微弱的光线照亮，尘土飞扬。事实上，他从未见过空气中有如此多的灰尘，甚至在描写中西部沙尘暴的电影中也没有这么多的灰尘。他把手绢绕在鼻子上，才感到松了一口气。但周围还有比灰尘更危险的东西。像他头那么大，甚至比他头更大的石头经常在他所在岩石附近的空间中旋转，偶尔击中岩石，发出一种奇怪而沉闷的撞击声。他还注意到有一两块和他自己身体差不多大的石头在远处的太空中飘浮着。在这段时间里，他仔细观察周围的环境，一直紧紧地抓着岩石上突出的边缘，时刻担心自己会掉下去，掉到尘土飞扬的深渊里去。但是很快，他变得更大胆了，试图爬到岩石的边缘，看看下面是否真的没有东西在支撑着它。

当他以这种方式爬行时，他惊奇地发现他并没有掉下去，但是他的体重不断地把他压在岩石的表面上，尽管他已经覆盖了岩石圆周的四分之一以上。就在他最初发现自己的地方下面，他从一排松散的石头后面望过去，他发现没有任何东西可以支撑这块石头。然而，使他大为吃惊的是，那闪烁的微光照出了他朋友老教授的高大身影，这位老教授显然低着头站着，在他的小本子上记着什么。

现在汤普金斯先生开始慢慢地明白了。他还记得，在他上学的时候，老师教过他，地球是一块巨大的圆石头，在太空中绕着太阳自由移动。他还记得那张地球两端有两个对跖点的照片。是的，他的岩石只是一个非常小的恒星体，将所有东西吸引到了它的表面，他和老教授是这个小行星上唯二的人口。这使他得到了一点安慰——至少没有掉下去的危险！

“早上好！”汤普金斯先生说，想要把老人的注意力从计算上转移开。

教授从笔记本上抬起头来。“这儿没有早晨，”他说，“这个宇宙里没有太阳，也没有一颗发光的星星。幸亏这儿的物体表面表现出某种化学变化过程，否则我就不能观察到这个空间的膨胀了。”他又把注意力转回了他的笔记本上。

汤普金斯先生感到很不高兴，遇见全宇宙唯一的活人，却发现他如此孤僻！出乎意料的是，其中一块小陨石来帮助了他。砰的一声，石头击中了教授手中的本子，把它扔了出去，本子飞快地穿过太空，离开了他们的小星球。“现在您再也见不到它了，”汤普金斯先生说。此时这个笔记本越来越小，它在太空中飞翔。

“恰恰相反，”教授回答道。“你看，我们现在所处的空间，其扩展并不是无限的。哦，是的，是的，我知道你在学校里学过，空间是无限的，两条平行线永远不会相交。然而，无论是对其余人类居住的空间，还是对我们现在所处的空间，这都是不正确的。前者当然非常大，科学家们估计它现在的尺寸大约是16 090 000 000 000 000 000 000 000米，对于普通人的思维来说，这就是无限的了。如果我在那里丢了笔记本，要花很长时间才能找回来。然而，这里的情况却大不相同。就在我的笔记本从我手中被撞掉之前，我已经发现这个空间的直径只有8000米，尽管它正在迅速扩大。我估计这个本子半小时内就能回来。”

这里没有白天

“可是，”汤普金斯先生大胆地说，“您的意思是说您的笔记本会像澳大利亚本地人的回旋镖那样，沿着弯曲的轨道运动，然后掉在您的脚下？”

“没有这回事，”教授回答道。“如果你想知道到底发生了什么，想想一个不知道地球是球体的古希腊人吧。假设他给了某人指示，让他一直向北奔跑。当他的赛跑运动员最终从南方回到他身边时，你可以想象他有多惊讶。我们的古希腊人没有环游世界的概念（在这种情况下，我的意思是绕地球旅行），他会确信自己的跑步者已经迷路了，走了一条弯路才又绕回来了。事实上，他的人一直沿着地球表面所能画出的最直的线在奔跑，但是他却周游了世界，因此他是从相反的方向回来的。同样的事情也会发生在我的笔记本上，除非它在途中被别的石头击中，从而偏离了正道。来，你拿着这双筒望远镜，看看你还能不能看到它。”

汤普金斯先生把双筒望远镜放在眼睛上，透过模糊了一切的灰尘，他成功看到教授的笔记本正在遥远的太空中穿梭。距离那么远，所有的东西，包括那个笔记本，都呈现出粉红色，这多少令他有些吃惊。

“可是，”过了一会儿，他叫了起来，“您的笔记本又回来了，我看到它越来越大了！”

“不，”教授说，“它还在消失。你看到它在逐渐变大，就好像它要回来一样，这是由于封闭的球形空间对光线的一种特殊的聚焦效应。让我们回到古希腊。如果光线可以一直沿着地球弯曲的曲面一直传播，比如说通过大气的折射，他就能够使用强大的双筒望远镜在旅途中一直看到他的跑步者。如果你观察一下地球，你会发现地球表面最直的线——经线，首先从一个极点发散出来，但经过赤道后，开始向另一个极点汇聚。如果光线沿着经线传播，假设你位于一个极点，你将看到这个人远离你，并且越来越小，直到他越过赤道。在这一点之后，你会看到他变得越来越大，在你看来，就像背对着你往回走。当他到达对面的极点后，你会看到他就像站在你身边一样大。然而，你无法触摸到他，就像你无法触摸到球面镜中的影像一样。在这个二维类比的基础上，你可以想象光线在这个奇怪弯曲的三维空间中会发生什么。现在，我想那个笔记本的影像已经非常接近了。”

事实上，汤普金斯先生放下望远镜，看到那个笔记本离他只有几米远了。不过，它看上去确实很奇怪！轮廓不是很清晰，字迹好像被冲洗掉了，教授写在纸上的公式几乎认不出来，整个笔记本看起来像是一张没有对焦也没有冲洗好的照片。

“你现在明白了吧，”教授说，“这只是那本书的影像，穿过半个宇宙的光线已经将它严重扭曲了。如果你非常想确定的话，只要注意，你是如何穿过厚厚的纸张看到笔记本后面的石头的。”

汤普金斯先生试着去抓住那个笔记本，但他的手毫无阻力地穿过了那影像。

“这个笔记本本身，”教授说，“现在已经非常接近宇宙的另一端了，你在这里看到的只是它的两幅图像。第二幅图像就在你的身后，当两幅图像重合时，真正的笔记本正好在相反的极点。汤普金斯先生没有听见教授的话；他正在全神贯注地思考着，试图回忆起在初级光学中，物体的影像是怎样通过凸面镜和透镜形成的。当他最终放弃的时候，这两个影像又开始向相反的方向后退。

“但是，是什么使空间弯曲并产生这些有趣的效果呢？”他问教授。

“是所有有重量的物质的存在，”他回答。“当牛顿发现万有引力定律时，他认为重力只是一种普通的力，例如，与在两个物体之间伸展的一根弹性细绳所产生的力是相同类型的力。然而，始终存在一个神秘的事实，即所有的物体，无论它们的重量和大小，在重力的作用下都有相同的加速度，以相同的方式运动，当然前提是你要消除空气的摩擦和类似的东西。是爱因斯坦第一次明确地指出，有重量的物质的主要作用是产生空间曲率，所有物体在重力场中运动的轨迹都是弯曲的，因为空间本身就是弯曲的。但是我认为，如果你没有足够的数学知识，理解起来有些困难。”

“是的，”汤普金斯先生说，“但请告诉我，如果没有物质，会不会还存在我们在学校里学过的那些几何知识，平行线永远不会相交吗？”

“它们不会相交，”教授回答道，“但也不会有物质来验证。也许欧几里得从未存在过，因此可以构造出绝对空无一物的几何？”

但是这位教授显然不喜欢参加这种形而上的讨论。(www.xing528.com)

与此同时，那本笔记本的影像又在原始方向上的远处消失了，并开始第二次返回。现在，它更加模糊了，几乎快要认不出来了。按照教授的说法，这是因为这次光线在整个宇宙传播。

“如果你再转一转你的头，”他对汤普金斯先生说，“你就会看到我的笔记本在完成环球旅行后终于回来了。他伸出手，拿起那本笔记本，把它塞进口袋。“你看，”他说，“宇宙中有这么多的尘埃和石头，几乎不可能看到整个世界。你可能注意到在我们周围有些不成形的影子，它们很可能是我们自己和周围物体的图像。然而，由于灰尘和空间弯曲的不规则性，它们被扭曲得太厉害了，我甚至分不清哪个是哪个。”

“在我们曾经生活的那个大的宇宙中也会发生同样的现象吗？”汤普金斯先生问。

“哦，是的，”他回答道，“但是那个宇宙太大了，光需要几百万年才能绕一圈。在你去理发店的几百万年后，你不需要任何镜子就能看到你后脑勺上的头发被剪掉了。此外，星际尘埃极有可能完全遮蔽了画面。顺便说一句，一位英国天文学家甚至一度认为，现在在天空中可以看到的一些星星只是很久以前就存在的星星的图像，不过这多半是开玩笑的。”

汤普金斯先生厌倦了努力去理解教授所有的这些解释，他环顾四周，惊奇地发现天空的景象已经发生了很大的变化。周围的灰尘似乎少了些，他取下仍缠在脸上的手帕。这些小石块通过的频率大大降低，撞击岩石表面的能量也大大降低。最后，他一开始就注意到的几块如同真人大小的大石头渐行渐远，几乎已经看不到了。

“唉，生活当然是越来越舒服了，”汤普金斯先生想，“我总是害怕那些移动的石头会打到我。您能解释一下我们周围环境的变化吗？”他一边说话，一边转向教授。

“这很容易解释：我们这个小小的宇宙正在迅速膨胀，自从我们来到这里以来，它的大小已经从8千米增加到了大约160千米。我一来到这里，就从远处物体的泛红中注意到了这种膨胀。”

宇宙在无限地膨胀和冷却
（改编自1960年1月16日《悉尼每日电讯报》的一幅漫画）

汤普金斯先生说：“好吧，我也看到了，在很远的地方，所有的东西都是粉红色的，但为什么这就意味着扩张呢？”

“你有没有注意到，”教授说，“火车驶近时的汽笛声听起来很高，但当火车从你身边驶过时，汽笛声就低得多了？这就是所谓的多普勒效应：音高与声源速度的关系。当整个空间膨胀时，位于其中的每一个物体都以与它到观察者的距离成正比的速度离开。因此，这些物体发出的光越来越红，这在光学上就相当于一个较低的音调。物体越远，移动得越快，在我们看来就越红。在我们古老而美好的宇宙中，它也在膨胀，这种变红的现象，或者我们所说的红移，让天文学家能够估计非常遥远的星系的距离。例如，离我们最近的星系，所谓的仙女座星系，显示出0.05%的红化，这对应着光在80万年中走过的距离。但是，也有一些星系处于我们目前望远镜观测能力的极限范围内，显示出大约15%的红化，这相当于几亿光年的距离。据推测，这些星系几乎都位于大宇宙“赤道”的中点上，而地球上的天文学家所知道的空间的总体积代表了宇宙总体积的相当大的一部分。目前宇宙的膨胀速度大约是每年0.00000001%，而我们现在所处的小宇宙相对来说变大得快得多，每分钟增长1%左右。”

“这种膨胀不会停止吗？”汤普金斯先生问。

“当然会的，”教授说。“然后收缩就开始了。每个宇宙都在一个非常小的半径和一个非常大的半径之间脉动。对于大宇宙来说，周期相当长，大约是数十亿年，但是我们的小宇宙的周期只有两个小时。我认为我们现在正处于最大膨胀的状态。你注意到有多冷了吗？”

事实上，充满整个宇宙的热辐射，现在分布在一个非常大的体积里，只给他们的小星球提供了很少的热量，因此温度大约在冰点。

“我们很幸运，”教授说，“即使在膨胀的这个阶段，最初也有足够的辐射放出热量。否则，因为太冷，岩石周围的空气就会凝结成液体，我们就会被冻死。但是收缩已经开始，很快就会再次回暖。

汤普金斯先生注视着天空，注意到所有远处的物体都从粉红色变成了紫罗兰色，据教授说，这是由于所有的星体都开始向它们移动。他还记得教授打过一个比方，说有一列火车开过来了，汽笛的音调很高，他吓得浑身发抖。

“如果现在一切都正在收缩中，难道我们不应该预测，宇宙中所有的大石头很快都将聚在一起，把我们压在当中挤扁吗？”他焦急地问教授。

“正是这样，”教授平静地回答，“但我认为，即使在这之前，温度也会升得很高，我们都会分解成不同的原子。这是一幅宇宙大终结的微缩图，所有的东西都会混合成一个统一的热气团，只有经过新的膨胀，新的生命才会重新开始。”

“噢，天啊！”汤普金斯先生先生喃喃自语，“就像您说的，在大宇宙中，还有几十亿年才会有尽头，但在这里，对我来说，一切都太快了！即使是穿着睡衣，我已经感觉很热了。”

“最好别把它们脱下来，”教授说，“没用的。你就躺下来吧，尽可能长时间地进行观察吧。”

汤普金斯先生没有回答。空气热得令人无法忍受。尘土在他周围越积越厚，他觉得自己好像被裹在一张柔软温暖的毯子里。他做了一个挣脱的动作，他的手伸到了凉爽的空气中。

“我在那荒凉的宇宙里挖了个洞吗？”这是他的第一个想法。他想向教授询问此事，但到处都找不到他。然而，在清晨的微光中，他认出了熟悉的卧室家具的轮廓。他躺在床上，紧紧地裹在一条羊毛毯里，刚刚把一只手从毛毯里抽出来。

“新生命从膨胀开始，”他回忆起老教授说的话，“感谢上帝，我们还在膨胀中！”然后他就去进行早晨的沐浴了。