宇宙为何会膨胀?这让爱因斯坦非常“懊恼”!

  当这彭齐亚斯和威尔逊发现了这个噪声之后,他们马上联想到Peebles的这个工作,于是他们赶紧跑过去跟普林斯顿的科学家包括Peebles一起讨论,看看是不是预言的信号被我们发现了,最后,1978年彭齐亚斯和威尔逊获得了诺贝尔奖。

  光子在宇宙大爆炸38万年之后变得自由,然后飞向我们,之后的宇宙就变的丰富多彩,在宇宙里存在暗物质。什么是暗物质呢?中午各位吃饭的时候可能吃了很多暗物质,它是物质,但是跟你没有相互作用,但正是这些暗物质的存在,使得我们的宇宙里面的结构可以形成。

  我们通过数字模拟得到的宇宙形成演化。右图为数字模拟,已经和我们今天观测到的星系非常接近了,有各式各样形态的星系,椭圆星系、漩涡星系等等。因此,暗物质理论能够很好的满足今天的观测。

宇宙为什么会加速膨胀

  接下来就是我的研究领域,也是我们如今未知最困惑的一个方面,就是宇宙的膨胀或者宇宙的加速膨胀。

  说起这个问题还要从从一位“牛人”说起,就是牛顿,牛顿与苹果的故事可能大家都非常熟悉了,一个苹果砸到了智慧的大脑,于是牛顿发现了万有引力定律。他发现任何两体之间的互相吸引,但是却没告诉我们为什么,他只是发现了这个现象。

  20世纪初,爱因斯坦建立了一个非常时髦的理论:相对论,当年没有几个人能理解。当爱因斯坦面对同样现象的时候,却陷入了深深的思考,他给出了一个完全不同的解释,为什么两体之间能够互相吸引呢?爱因斯坦认为是因为物质的存在会导致周围时空的扭曲,物质告诉时空怎么扭曲,时空反过来告诉物质怎么去运动。

  爱因斯坦得到相对论之后,他迫不及待的把它运用到宇宙的研究,当时他发现有两个可能的解,一种情况就是宇宙要收缩,另外就是宇宙要膨胀。

  这两个解爱因斯坦都非常不满意,因为没有人希望我们有一天坍缩到起点,或者膨胀的四分五裂。于是爱因斯坦在想,我怎么样让宇宙保持稳态,不膨胀也不收缩呢?

图注:大家看著名的爱因斯坦方程被印到火车上,说明它当时是多么的时尚多么的流行

图注:大家看著名的爱因斯坦方程被印到火车上,说明它当时是多么的时尚多么的流行

  对方程我们不去深究,它的意思就是时空曲率等于物质分布。物质分布可能有吸引的作用,你可以想象一个收缩的时空比较容易理解,因为物质之间有吸引作用,爱因斯坦认为宇宙不可能膨胀,所以就把膨胀这个解给排除掉了。于是他想如果宇宙是收缩的可能我还有办法,收缩是因为万有引力,我为什么不引入万有斥力让它不收缩呢?在1917年爱因斯坦创造性的在他的方程后边加入了一项,宇宙学常数,也就是最早的暗能量模型。

  得到这个方程之后,爱因斯坦非常兴奋:我的宇宙终于完美的平静下来,而且我的广义相对论终于可以被完美的运用到宇宙上了。

  但是时间没过多久,1929年,英国的科学家哈勃发现宇宙根本不是静态的,宇宙是在膨胀的,而且离我们越远,它的膨胀速率越快,是一个正比关系,今天的宇宙还在不停的膨胀,跟距离成正比。

  你可以想象爱因斯坦得知这个消息的时候是什么表情,他说了一句话,翻译成中文就是“引入宇宙学常数是我一生犯的最大错误”,并且没有之一,非常懊悔。

  但是故事并没有结束,1998年三位科学家利用超新星的研究发现:宇宙不仅在膨胀,而且还加速膨胀,大家想象一下当年爱因斯坦引入宇宙学常是为什么?是为了让宇宙不膨胀,他认为宇宙是收缩的,加入这个常数之后宇宙可以不膨胀。可是宇宙本来就是膨胀的,加入万有斥力之后是不是膨胀的更快?所以爱因斯坦完全是从错误的出发点得出了正确的结论。

  这就是为什么你看98年的《Science》的杂志封面爱因斯坦的表情非常的复杂,很惊喜也很懊悔,科学也许就是这样。

  加速膨胀研究在1998年就被列为十大科技进展之首。根据权威的一个国际机构暗能量特别工作组的报告介绍,认为暗能量的存在,说明我们今天对基本粒子或者引力理论的理解或者不正确,或者不完备,总之需要一场基础物理的革命。

  当然这是一个重大的机遇,我们今天生活在精确宇宙学的时代,我们有非常高质量的数据,可以从里面提取暗能量的信息,暗能量的方向也是美国十年规划最高优先级的研究方向,也是我们国家十三五重点突破的基础前沿领域之首。

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1 评论

  1. 到此一游~

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