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爱因斯坦说,这是他一生所犯的最大的错误
作者:黄庆国 | 2024/4/23 10:42:51 | 浏览:341 | 评论:0

我们研究宇宙学的人,
是这个世界上最长情的人,
我们一眼就是100亿年。


大家好,我是来自中国科学院理论物理研究所的黄庆国,很高兴来到格致论道。在演讲之前,我想先跟大家分享一句话:“宇宙中最不可以理解的事情,就是宇宙是可以理解的。”这是爱因斯坦说的。

爱因斯坦说,这是他一生所犯的最大的错误

说到宇宙,我想可能大多数人的概念就是这样绚丽精美的图片。但是对研究理论物理的人来说,宇宙不是这样的。

什么才是我们心目中的宇宙呢?宇宙是由“宇”和“宙”两个字组成的。“四方上下曰宇”,它标记了一个粒子或物体在空间中的位置,分别有前后、左右和上下三个空间维度。宇,就是空间。“古往今来曰宙”,指的是一种时间的流逝。宙,也就是我们通常所说的时间。那么,宇宙就是全部的空间,加上全部的时间。这就是我们研究理论物理的人的宇宙观。

理解宇宙的两大基石

一个粒子或物体的位置可以用空间的坐标来标记。它可以在空间中运动,位置不断变化,也就是说空间的坐标可以不断地变化。它可以处于不同的时刻,所以它的时间也在变化。不仅仅如此,承载粒子的时空也是可以被扭曲和变化的。

爱因斯坦说,这是他一生所犯的最大的错误

早在20世纪初,爱因斯坦提出了狭义相对论之后,很快地就认识到牛顿的万有引力定律与狭义相对论之间存在内在的、不可调和的矛盾。为了解决这个问题,爱因斯坦足足花了十年的时间,直到1915年,才提出了现在我们理解引力的广义相对论理论。

这个理论把引力解释为时空的一种弯曲。比如由于太阳的存在,周围的空间发生弯曲,而地球在弯曲背景上面运动,就像是地球感受到了太阳的吸引一样,产生引力的作用。这就是我们今天对引力的标准理解。

对我们来说,时间和空间通常是摸不着也看不见的,怎么知道它是弯曲的还是平直的呢?爱因斯坦的广义相对论认为,不仅有质量的地球会感受到太阳的吸引,无质量的光线也会感受到时空的弯曲。爱丁顿利用一次日全食,观测到了遥远恒星的星光在经过太阳附近的时候发生偏转,从而证明了爱因斯坦广义相对论是正确的。

毫无疑问,爱因斯坦的广义相对论开启了我们对时空的全新理解和认识。一个粒子可以在时空中运动,时空本身也是可以扭曲、演化和运动的。

在1915年提出了广义相对论之后,爱因斯坦认识到自己掌握了一个非常强大的工具,他希望用这样强大的工具帮助我们去研究最大的一个客体,就是宇宙。

爱因斯坦说,这是他一生所犯的最大的错误

怎么才能理解几百亿光年的宇宙呢?我们对这个整个世界乃至整个宇宙的认识是从地球开始的。在地球上,地貌是千变万化的,从高耸的青藏高原到深邃的马里亚纳海沟,从南美的热带雨林到非洲的撒哈拉沙漠,都是完全不同的。
 
爱因斯坦说,这是他一生所犯的最大的错误
人类对地球的认识仍然是非常不够的,那怎么可能去理解宇宙呢?地球只是太阳系里面很平常的一颗行星,太阳系只是银河系边缘的一个微不足道的恒星星系 。星系以上还有很多星系聚集在一起,形成星系群、星系团等等这些结构,看上去是完全不一样的。所以怎么可能去理解这么复杂浩瀚、这么大时间跨度的宇宙?

在物理学的发展过程当中,尤其在过去几十年、上百年的时间里面,我们学到了很多很多的知识。毫无疑问,如果想要理解宇宙,就需要一种全新的智慧。我们通常会觉得一个复杂体系会很难被理解,但事实上,在一个足够复杂的体系中,从无序中会呈现出一种新的有序。这个发现获得了2021年的诺贝尔物理学奖。

尽管宇宙非常的宏大、非常的复杂,但是如果不去纠结宇宙的细节,站在宇宙的任何地方看出去,都有很多的星系,而且在不同地方的看都差不多。

所以如果眼光放得更长远一点的话,那么就认识到了宇宙尽管在细节上可能非常复杂,但是在宇观尺度上可能很简单。由此,爱因斯坦在1917年提出了理解宇宙的一个最重要的物理原理,被称之为宇宙学原理。这个原理告诉我们,宇宙在不同地方看上去都是一样的,也就是说宇宙是完全均匀和各向同性的。

可以说,现代宇宙学就发端于爱因斯坦所提出来的宇宙学原理。爱因斯坦的广义相对论和宇宙学原理,构成了理解宇宙的最重要的两块基石。爱因斯坦被称为现代宇宙学之父,这是当之无愧的。

爱因斯坦最大的错误?
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宇宙在空间上面既然非常地简单,那么接下来一个关键的问题是:这样一个均匀而且各向同性的宇宙,是否会随着时间而发生演化?

爱因斯坦说,这是他一生所犯的最大的错误

爱因斯坦一开始认为宇宙是静态的。现在为止,我也没有查到资料来说明他为什么认为宇宙是静态的。但是我怀疑是因为受限于当时的观测手段,他很难看到银河系之外的宇宙。而银河系之内恒星的演化与人的寿命相比,是很缓慢的。所以他错误地认为宇宙是不演化的。

要得到一个不演化的宇宙,在理论上来说也是非常困难的。为什么这样呢?因为宇宙中充满了物质,不管是普通物质还是暗物质,它们之间都是相互吸引的。相互吸引的力量就会造成一个很明显的后果:物质很难停在原地不动。最终的状态应该是大家相互吸引,一起吸引到一个地方去。

为了得到一个不演化的静态宇宙,爱因斯坦人为地在他的方程里面添加了一个常数项,我们称之为宇宙学常数。宇宙学常数会提供一个等效的排斥力量,来平衡不同的物质之间的吸引力量,以此得到一个静态的宇宙。

然而,哪怕是爱因斯坦这么伟大的科学家,他所说的话是否正确,仍然需要经过我们观测的检验。

爱因斯坦说,这是他一生所犯的最大的错误

接下来,有一位伟大的天文学家哈勃闪亮登场,哈勃空间望远镜就是为了纪念哈勃而用他的名字来命名的。哈勃观测了银河系之外的遥远星系所发射出来的电磁波的光谱,他发现所有谱线的波长都变长了。这就好比我们站在这个地方,如果有一辆汽车从旁边经过并且离我们越来越远,鸣笛的声音会变得越来越低沉,这是因为它发射的声波的波长被拉长了。所以听到的声音变得更低沉,就意味着它在离我们而去。

哈勃的这个发现告诉我们几乎所有这些天体的光谱都发生了红移现象,说明了所有的天体都在远离我们而去。你可能会说,这些天体有可能不是待在那不动,它或许在做一种随机的运动呢?但如果是一种随机运动的话,我们所期待的结果应该是有一半的天体远离我们,一半的天体离我们越来越近,而不应该是压倒性地发现所有的天体都在远离我们而去。所以很显然,用天体的随机运动是无法解释哈勃所观察到的现象的。

最终我们认识到,宇宙是在不断膨胀的,所有天体都在远离我们而去。当爱因斯坦得知哈勃的发现之后,他认为在方程式里面加入了宇宙学常数项是他一生中所犯的最大的错误!

有人念念不忘,听到爆炸的回声
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如果宇宙是在不断膨胀的,逆着时间的方向去想,就像去压缩一团气体,可以想象会发生什么样的事情。这团气体的温度会升高,压强会变大。宇宙早期可能处于一种非常高温和高压的状态,这就是宇宙大爆炸的来源。这个理论从一提出来就几乎没有人能够接受和相信它。在我看来,说人是从鱼进化而来的进化论已经足够让人震惊了,而宇宙大爆炸是比进化论更不可思议的一个理论。

今天所看到的数百亿光年大的一个宇宙,你告诉我说它是从一个比原子还小的区域里面膨胀而来的,这件事情怎么可能发生?但对于做科学研究的人来说,不管你是能接受还是不接受,重要的事情是要摆事实讲道理,做出实验或者观测,来对这个理论进行证实或者证伪。才是真正的科学的态度。

你说宇宙来自于这么剧烈的一次爆炸,那就像是我点一个鞭炮,它爆炸的时候总得发射点光和热。所以有人说,如果你把宇宙大爆炸的光和热找到,我就相信你;如果你找不到,那么我就认为你的这个理论是错的。

爱因斯坦说,这是他一生所犯的最大的错误

在20世纪60年代,彭齐亚斯和威尔逊这两位贝尔实验室的工程师利用了当时世界上最灵敏的一个射电望远镜,去研究自然界里的电磁信号。他们发现,不管天线朝向哪边,都有一种莫名其妙的电磁噪声在那里,并且无法消除。一开始他们就想,那个环境里面有很多鸟,鸟会在天线里面去拉屎,会不会是这些粪便对仪器造成了影响,发出滋啦滋啦的声音。他们很小心地把鸟粪都清理干净,发现滋啦滋啦的声音还在。

他们完全无法理解这件事情,于是找到了普林斯顿大学的天体物理学家狄克。他告诉他们,其实这是找到了宇宙大爆炸的回声,就是今天我们说的宇宙微波背景辐射。

宇宙微波背景辐射的发现证明了宇宙大爆炸理论是正确的,从此绝大多数人都接受了这个理论,彭齐亚斯和威尔逊也因此分享了1978年的诺贝尔物理学奖。非常遗憾的是,就在前几天(2024年1月),彭齐亚斯以90岁的高龄刚刚去世。我也希望以今天的报告作为对这位科学先驱的纪念。宇宙微波背景辐射从各方向过来的温度几乎是完全一样的,也再次证明了爱因斯坦所提出的宇宙学原理是正确的。

我们应该如何去理解宇宙的膨胀呢?我想在过去的很长时间里面,可能存在一种误解,大家会认为是这些天体、星系自己在运动,在远离我们而去。实际上不是的。爱因斯坦说,这是他一生所犯的最大的错误

就好像这张图上面有很多的星星,可以把它们理解为宇宙中的一些星系。它们没有动,就好像我们把它粘在气球上面一样。为什么它们不能动,却总在远离对方?是因为我们把气球吹大了。所以宇宙的膨胀是空间无处不在的膨胀,这才是宇宙膨胀的正确的理解方式。

爱因斯坦说,这是他一生所犯的最大的错误

我常常喜欢看这幅图,宇宙自创生到现在总共经历了138亿年,所以在某种意义上来说,也许我们研究宇宙学的人是这个世界上最长情的人,我们一眼100亿年。这里面有一个很有趣的问题,是什么样的力量在一开始的时候推了宇宙一下,使得宇宙的膨胀可以持续超过100亿年而经久不息?宇宙的第一推动到底是什么?从哪里来?

今天没有时间再给大家回答这个问题,所以最后留一个悬念吧。

宇宙可能是从无中诞生而来的,就是无中生有,产生了今天的宇宙。

我今天的分享到这里,谢谢大家!

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