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现代宇宙学的开端

世界上最不可理解的事情,便是这个世界是可以理解的。

  ——阿尔伯特·爱因斯坦


宇宙从何而来?
我们为什么存在?
宇宙是由什么构成的?
宇宙未来的命运将如何走向?
…………


○ 大爆炸模型的宇宙演化历史

虽然人类千百年来就一直思考着自身存在及宇宙的起源等等问题,但是,在1917年之前,这些思考一点都不成熟,对宇宙学的研究也一点都不现代。如今,我们已经进入了精确宇宙学时代,大爆炸宇宙论宇宙微波背景辐射CMB)、宇宙加速膨胀暗能量)、暗物质……,我们今天谈论的这些内容都基于爱因斯坦广义相对论。而现代宇宙学的这一切,都要始于爱因斯坦在103年前写的一篇题为《在广义相对论框架中的宇宙学思考》论文。


要进行宇宙学思考,必须要有广义相对论对吧,我们在这简单了解一下广义相对论。

在广义相对论问世之前,描述引力的理论一直是牛顿爵爷万有引力定律,在其发表之后的两百多年间无人能撼动它的地位,直到火车上一个年轻德国人的冥想打破了夜的寂静,由此引出了一系列全新的概念。爱因斯坦认为虽然牛顿的引力理论在大多数情况下是成立的,但是却存在概念上的错误,即引力并非如牛顿所说的物质间产生的吸引性质,而是物质与时空相互作用的结果。在广义相对论中,三维空间和一维时间被统一在3+1维的四维时空当中,时空具有可塑性,由于物体的质量造成了其周围时空几何形状的弯曲,而在其周围的物体会沿着弯曲时空中的最短路径测地线)运动,从而产生了我们称之为引力的效应。

○ 在广义相对论中物质的质量使其周围的时空发生弯曲

著名理论物理学家约翰·惠勒曾用下面一句话总结广义相对论:“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。”

广义相对论真的是一个非常优美的理论,概念简单优雅,只是其中的数学却晦涩难懂,但这并不妨碍我们欣赏。它无比精妙,有很高的预言性且久经考验,在这你可以写点东西来预测一下宇宙将会处于什么样的状态并加以验证。据我所知,到目前为止,它通过了一系列的观测和实验验证。

下面我们来到广义相对论的核心,即著名的爱因斯坦引力场方程


○ 爱因斯坦引力场方程

方程左边的组合被称为爱因斯坦张量,描述的是时空的几何属性(曲率),方程右边则包含了圆周率π、引力常数G、光速c这些常数以及能量-动量张量T(μν),描述的是物质和能量的分布,中间的等号便把时空几何和物质分布联系在了一起,所以当我们知道物质与能量在时空中是如何分布的,就可以通过此方程计算出时空的几何结构,再进一步去计算物质在引力场中的运动轨迹,而这里的引力场就是指弯曲时空。
爱因斯坦引力场从外表上看形式简单,其实它是一个非常复杂的非线性偏微分方程组,很难有精确解,不过我们可以在一些假设的简化下解出那么一个属于自己的宇宙来,是不是很高大上。讲真,爱因斯坦本人就是这么做的,当爱神把广义相对论应用到整个宇宙的时候,他便遇到了让他困惑的问题,这也就是开头提到的那篇奠定现代理论宇宙学根基的论文。

○ 爱因斯坦1917年发表的这篇论文标志着现代宇宙学的诞生

爱因斯坦当时遇到的问题在于:他发现引力场方程在宇宙是均匀且各向同性的(宇宙学原理:宇宙从任意一点上看都是相同的以及从任何方向上看都是一样的,这适用于大尺度范围上的宇宙),这个假设下的解暗示宇宙是膨胀的,然而这个结果与当时静态宇宙这一主流观点相悖,爱因斯坦本身也很喜欢宇宙静止不变的观点,因为物理学家认为对称是优雅、简单而美丽的。

○ 爱因斯坦在他的方程中引入了宇宙学常数λ

因此,为了防止宇宙膨胀而得到静态宇宙解 ,爱因斯坦在他的方程左边添加了一个宇宙学常数(用希腊字母 λ 表示),再乘上时空的度规张量g(μν)得到宇宙学常数项,以平衡方程中的其他各项,静止的宇宙才得以存在。这个操作我们称之为微调,我们只要稍微调整一下常数的值,就可以得到不同的宇宙解。

但是加入了宇宙学常数项之后,方程就没有原来那么简单了,这就失去了方程的简洁美,换句话说,就是没有了原本的精妙。爱因斯坦也为此很纠结,认为引入宇宙学常数完全破坏了他方程的美感,虽然静态的宇宙得以维持,但他一直觉得不引入 λ 会更好,而且爱因斯坦在他的论文中只是说明了 λ 在数学上的意义,并没有详细讨论宇宙学常数现实的物理意义。

○ 添加了宇宙学常数的引力场方程

不过后面事情迎来了转机,1929年,美国天文学家埃德温·哈勃用加利福尼亚州威尔逊山上的胡克望远镜观测到了比我们所在的银河系更为遥远的星系,在这之前,人们认为宇宙就是我们的银河系,因此哈勃的观测重新定义了我们的宇宙,更重要的是,哈勃还发现这些遥远的星系都在互相远离我们,并提出了著名的哈勃定律(现已被国际天文学联合会改名为哈勃-勒梅特定律),这意味着我们的宇宙不是静止的,而是在膨胀!

哈勃的这个发现含义深远,对爱因斯坦来说则更加意义非凡,因为膨胀的宇宙已经不需要引入宇宙学常数来解释了,这使爱神终于删掉了这个 λ 项,让广义相对论回归最初的简洁。

1931年,高兴的爱因斯坦专门来到威尔逊山天文台和哈勃握手,感谢他让自己的理论重归美好。

○ 爱因斯坦在哈勃以及当时的威尔逊山天文台台长亚当斯的陪同下用胡克望远镜观测宇宙

如果爱因斯坦没有加入这个λ项,那他可以早哈勃12年就发现宇宙在膨胀,另外与此同时期的理论物理学家乔治·勒梅特亚历山大·弗里德曼在广义相对论框架下均得出宇宙膨胀的结论,并在数学上解释了哈勃定律,之后勒梅特又独自将宇宙膨胀进行时间反演,这暗示着宇宙可能会有一个开端,而这将成为大爆炸理论模型的雏形。这些都是本可能属于爱因斯坦的伟大成就,因此爱神说引入宇宙学常数是他职业生涯犯的最大错误。

不过,在之后的1998年,天文学家发现我们的宇宙不仅在膨胀,而且在加速膨胀,为了解释宇宙加速膨胀现象,理论物理学家们提出了暗能量理论,认为暗能量是(暗能量是指推动宇宙加速膨胀的所有物理因素,并不特指某一单一事物,事实上,目前任何事物都有可能)推动宇宙加速膨胀的幕后推手,现在大部分理论物理学家认为爱因斯坦在1917年提出的宇宙学常数可能充当暗能量的角色,只是和当年的意义不同,但形式是完全一样的,因此,宇宙学常数又意外的回归了,但是这个想法目前仍然面临着巨大问题。

今天,以广义相对论为框架的大爆炸宇宙学说是目前最为广泛接受的描述宇宙的理论,其中的ΛCDM模型则是目前的宇宙学标准模型,因为它当前能够提供宇宙微波背景辐射、宇宙大尺度结构以及宇宙加速膨胀的超新星观测、暗物质等这些现象解释的最简单合理的宇宙模型。

○ 今天和宇宙早期的宇宙组成成分(数据来源于普朗克卫星)

距离爱因斯坦发表的那篇现代宇宙学奠基之作,如今已过去了100多年,在这期间我们的宇宙观念在不断的刷新着,当前我们正面临暗物质、暗能量等棘手的难题,我们仍在黑暗中摸索。

不过我相信时间终将会给予我们答案,我也相信未来的基础物理突破一定会出现在天体物理领域。

来源:时空旋律

编辑:hxg

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来自:人老颠东  > 宇宙学
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