【科學史沙龍】沒有昨日的宇宙——勒梅特與現代宇宙學

■對於被喻為「大霹靂之父」的勒梅特 (Georges Lemaître) ，有人說他「計算正確無誤，但物理卻糟糕透頂」，有人說他的研究「是我所聽過關於宇宙創生，最優美且令人滿意的解釋」——這兩個極端的評語，都是來自於愛因斯坦。他如何讓上個世紀最偉大的科學家刮目相看，奠定現代宇宙學的基礎？

講者｜國立師範大學物理系 李沃龍教授
撰文｜高英哲

在愛因斯坦於 1917 年提出廣義相對論之前，宇宙學與其說是科學，不如說是一門介於哲學與神學之間的「清談」，根本上就缺乏一種相對客觀的數學或物理研究方法。愛因斯坦的廣義相對論場方程式，把物質跟空間的關係串連起來，可以用兩句白話來說明：物質告訴空間如何扭曲，而空間告訴物質如何運動。不過由於愛因斯坦信仰的，是一個遵循哥白尼原理，有界無限、靜態封閉的球面宇宙，而他用廣義相對論計算出來的宇宙，卻不是一個穩定態，因此他自己加進一個「宇宙學常數」，使方程式能夠產生靜態宇宙的解。

愛因斯坦的靜態宇宙解，很快就有人跑出來打對台。荷蘭天文學家德希特 (Willem de Sitter) 提出他對廣義相對論的解，裡頭就沒有物質跟正值的宇宙學常數。在「德希特空間」裡，空宇宙會擴張，從而產生相對論性的都卜勒效應；斯里弗 (Vesto Slipher) 觀測星系發現的紅移現象，也證實了這點。然而由於德希特跟愛因斯坦一樣，相信宇宙是靜態的，因此他對於自己所提出廣義相對論的解，後續發展搞錯了方向；此外他也設錯了座標軸，導致模型違反宇宙學去中心化，空間中任何一點皆等價，時間流動速率皆相等的原理。

勒梅特針對德希特空間的缺失進行修正，他在 1927 年提出的宇宙模型，藉由重新選擇座標軸，產生了兩個效應：首先是重力場不再是靜態的，所以可以解釋斯里弗觀測到的星系紅移現象；再者就是他的三維空間可以滿足二維的歐幾里德幾何，這點是愛因斯坦跟德希特的靜態宇宙模型做不到的。更重要的是，勒梅特的模型導出了哈伯定律，甚至還根據觀測結果，算出了哈伯常數，為宇宙膨脹理論奠定了基礎。

勒梅特的宇宙膨脹模型，跟當時幾位大科學家原本信仰的靜態宇宙南轅北轍；他們消化了勒梅特無懈可擊的數學推論之後，開始接納宇宙膨脹模型。不過勒梅特在 1927 年，原本用法文發表的論文，在 1931 年由英國皇家學會翻譯成英文時，卻沒有看到計算哈伯常數的那一部份。由於哈伯把研究成果攬在自己身上是出了名的，始終有人懷疑晚了勒梅特兩年才導出哈伯常數，並且當時並不認為自己觀測到宇宙膨脹證據的哈伯，是把勒梅特的論文「和諧」掉的幕後黑手。

勒梅特在 1931 年再度發表論文，進一步提出宇宙有個「太古原子」開端的想法，這是現今做為宇宙學基礎的大霹靂理論濫觴。勒梅特著實是對現代宇宙學有舉足輕重影響的重要人物，然而在教科書上，我們卻鮮少聽到他的名號。他可真是一位「被遺忘的宇宙學家」呀！