约翰·巴罗:宇宙学家的多面人生

作者: 毛尖尖

来源: 原理

发布日期: 2020-10-18

约翰·巴罗是一位多才多艺的宇宙学家,他的职业生涯涵盖了宇宙学的多个重要领域,包括自然常数的研究、早期宇宙暴胀模型、人择原理的重新定义等。他不仅在科学研究上有着卓越的贡献,还积极参与科学传播和教育工作,推动了科学知识的普及。巴罗的兴趣广泛,从体育到艺术,再到哲学和宗教,他的多面人生为科学界留下了宝贵的遗产。

2020年9月26日,宇宙学家、英国皇家学会院士约翰·巴罗因结肠癌去世,享年67岁。对一些人而言,巴罗的名字或许没那么熟悉。但借用保罗·戴维斯的话说,“一位真正伟大的科学家不仅会做出重大的技术贡献,还会通过既有深度又有广度的视野,重塑学科的概念图景。而巴罗就是这样一位科学家”。巴罗的职业生涯跨越了宇宙学的黄金时代,在这一时期,宇宙学从科学上的“荒僻角落”,变成了主流的精准科学。

巴罗正是其中活跃的参与者。同时,他也是一位科学的传播者,一位出色的教育工作者。更重要的是,他是一位有趣、丰富而立体的人。这里有5个盒子,打开每一个盒子,你都能看到他在职业或生活中某个方面的故事。光速是299792458 ms⁻¹,重力常数是6.674 × 10⁻¹¹ m³kg⁻¹s⁻²……它们通常都被称为自然常数。这些基本物理量似乎在任何地方都是一样的,好像也不会随着时间的推移而改变。

但真的是这样吗?巴罗利用理论探索和天文实验来研究这个问题,这也是他作为宇宙学家和理论物理学家的主要研究方向之一。科学家曾希望找到一种“万物理论”来解释为什么会出现这些特定的值。然而,如巴罗所解释的那样,近几十年来,在弦理论等领域的进展表明,这些常数其实可以取任何值。这为科学家提供了一种研究动机,来探索这些常数究竟会不会在数值上发生变化。

巴罗与天文学家约翰·韦伯共同发起了一个观测项目,研究遥远宇宙中类星体产生的光。他们开发了新的技术来分析这些光,以测试在类星体附近某些常数是否与他们在实验室中所得的相同。巴罗相信,天文学提供了一种更好的方法,来测试这些常数是否真的是“常数”,这比任何实验室中的实验都要好。而结果同样令人惊讶。宇宙学家能把宇宙变成实验室,这是近代物理学的一大进步,也是更深入地理解宇宙的关键。

作为宇宙学家,巴罗对宇宙的历史和命运很感兴趣。他的另一个关键的研究领域是探索早期宇宙暴胀的模型。主流科学界相信,宇宙起源于138亿年前的大爆炸,根据广义相对论,最初的宇宙“无限”致密、“无限”炽热。但巴罗认为,这对像他这样的宇宙学家来说恰恰是个危险信号:“对某种‘无限’的预测,往往是一种信号,表明用来进行预测的理论已经达到其适用范围的极限。

”这就是为什么宇宙学家正在探索一些想法,可以将爱因斯坦的引力理论拓展来适应量子理论,从而更准确地描述宇宙的起源。巴罗的研究也包括了广义相对论的替代理论,也就是所谓的修正引力。在2009年的一次采访中,巴罗介绍了一种听起来更为奇异的可能——我们可能身处在一个泡沫多重宇宙中。大多数宇宙学家相信,我们的宇宙在大爆炸后最初的几分钟内,在以惊人的速度膨胀,也就是暴胀。

这种暴胀理论经受住了迄今为止设置的所有检验,观测和理论之间具有很好的一致性。但巴罗表示,一些科学家正在进一步推进这个想法,探讨这种暴胀是否会持续下去。早期的膨胀可以在宇宙的每个部分自我延续。因此,一片区域将会骤增,在它里面又会有另一个小部分突然再次经历骤增。它就像泡沫,其中每个气泡都会产生更多气泡,而这些新产生的气泡也会膨胀。泡沫中的每一个气泡,都可以看作是一整个宇宙。

巴罗不仅是一位科学家,还是一位优秀的科学传播者。他经常参与公众演讲,并把对科学的理解以及哲学的思考留在了自己的作品中。巴罗最具代表性的作品之一来自1986年。当时,他与美国宇宙学家弗兰克·提普勒合著了《人择宇宙学原理》。

在这本书中,他们用以下两条论述重新定义了人择原理:所有物理量和宇宙学量的观测值可能是不相等的,但它们具有的值受到了以下条件的限制,即存在碳基生命可以进化的地方,并且宇宙的年龄要足够长,生命已经发生了进化。宇宙必须具有某种特性,在历史的某个阶段允许生命在其中发展。虽然这听起来与先前人择原理的论述相似,但放在一起却有很大的不同。

它们背后代表的含义是,“宇宙必须允许碳基智慧生命的存在,没有生命发展的假想宇宙是不可能的”。这种对人择原理的重构非常具有影响力,同时也颇具争议。在书中,两位作者还更进了一步,提出了对人择原理的不同诠释,包括“宇宙被设计的目标是产生和支持观察者”;“观察者是宇宙形成所必需的”,以及“一组具有不同基本定律和常数的宇宙集合,是我们宇宙存在的必要条件”。

这些描述中的任何一个场景,都能为想象力带来一场迷人的盛宴,但它们也代表着逻辑上不可思议的跨越,都对宇宙目的以及观察者与现实之间的关系做出了大胆的假设。当然,我们还不知道,这种假设是否真的正确。在科学研究之余,巴罗更加不遗余力地推广科学,并参与科学教育。从1999年起,他的一个重要身份便是剑桥大学千禧年数学计划主任。

MMP是一个面向在校学生、教师以及公众的数学教育和推广项目,每年会与成千上万名学生和教师合作。在MMP中,还有一个重要的部分——Plus线上杂志,其中涵盖了大量与数学相关的话题,也是目前数学线上杂志中颇具影响力的代表。巴罗始终鼓励同事探索和尝试新的方法。2006年,他领导的MMP获得了女王周年奖。而巴罗个人对体育的浓厚兴趣,也推动了MMP与2012年伦敦奥运会教育计划之间的合作。

在理论物理和数学领域之外,巴罗的好奇心似乎可以把他带到任何地方。在与巴罗接触过的人的回忆中,他对一切事物都怀抱着极大的好奇和热情。巴罗酷爱运动。年轻时,他曾是一位中长跑运动员,已经达到了奥林匹克的水准。他在体育上的兴趣广泛,喜欢分享许多关于运动的数学见解,无论是跑步还是体操,或者英式橄榄球。他甚至专门为体育写了一本科普书。更有意思的是,他还通过数学发现了一种新的赛艇运动员的排列方式。

据保罗·戴维斯回忆,巴罗非常时尚,衣着总是很考究。他也是一位美食鉴赏家,和他一起旅行总少不了口福。巴罗还很喜欢发表有趣的言论,脑子里总有许多幽默故事可以分享。巴罗的学术和写作延伸到艺术理论、音乐学、历史、哲学甚至宗教。他和家人都非常热爱意大利,总是喜欢去那里旅行度假。

巧合是的,也正是在意大利,巴罗的另一个非凡的成就达到了顶峰——他创作的舞台剧《无穷大》在米兰举行了首次公演,而这部戏剧也获得了意大利Premi Ubu戏剧奖。诚然,很难仅仅用简单的几个方面就概括一位科学家丰富的一生。如剑桥大学的悼文所言,“他的智慧和洞察力让许多人受益良多,而从此我们再无法感受到他的温暖和魅力”。

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