宇宙從何而來？ 我們?yōu)槭裁创嬖冢?br>宇宙是由什么構(gòu)成的？ 宇宙未來的命運(yùn)將如何走向？ …………  ○ 大爆炸模型的宇宙演化歷史 雖然人類千百年來就一直思考著自身存在及宇宙的起源等等問題，但是，在1917年之前，這些思考一點都不成熟，對宇宙學(xué)的研究也一點都不現(xiàn)代。如今，我們已經(jīng)進(jìn)入了精確宇宙學(xué)時代，大爆炸宇宙論、宇宙微波背景輻射（CMB）、宇宙加速膨脹（暗能量）、暗物質(zhì)……，我們今天談?wù)摰倪@些內(nèi)容都基于愛因斯坦的廣義相對論。而現(xiàn)代宇宙學(xué)的這一切，都要始于愛因斯坦在103年前寫的一篇題為《在廣義相對論框架中的宇宙學(xué)思考》論文。
 著名理論物理學(xué)家約翰·惠勒曾用下面一句話總結(jié)廣義相對論：“物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動?！?br> 廣義相對論真的是一個非常優(yōu)美的理論，概念簡單優(yōu)雅，只是其中的數(shù)學(xué)卻晦澀難懂，但這并不妨礙我們欣賞。它無比精妙，有很高的預(yù)言性且久經(jīng)考驗，在這你可以寫點東西來預(yù)測一下宇宙將會處于什么樣的狀態(tài)并加以驗證。據(jù)我所知，到目前為止，它通過了一系列的觀測和實驗驗證。 下面我們來到廣義相對論的核心，即著名的愛因斯坦引力場方程。  ○ 愛因斯坦引力場方程 愛因斯坦當(dāng)時遇到的問題在于：他發(fā)現(xiàn)引力場方程在宇宙是均勻且各向同性的（宇宙學(xué)原理：宇宙從任意一點上看都是相同的以及從任何方向上看都是一樣的，這適用于大尺度范圍上的宇宙），這個假設(shè)下的解暗示宇宙是膨脹的，然而這個結(jié)果與當(dāng)時靜態(tài)宇宙這一主流觀點相悖，愛因斯坦本身也很喜歡宇宙靜止不變的觀點，因為物理學(xué)家認(rèn)為對稱是優(yōu)雅、簡單而美麗的。 因此，為了防止宇宙膨脹而得到靜態(tài)宇宙解 ，愛因斯坦在他的方程左邊添加了一個宇宙學(xué)常數(shù)（用希臘字母 λ 表示），再乘上時空的度規(guī)張量g（μν）得到宇宙學(xué)常數(shù)項，以平衡方程中的其他各項，靜止的宇宙才得以存在。這個操作我們稱之為微調(diào)，我們只要稍微調(diào)整一下常數(shù)的值，就可以得到不同的宇宙解。 但是加入了宇宙學(xué)常數(shù)項之后，方程就沒有原來那么簡單了，這就失去了方程的簡潔美，換句話說，就是沒有了原本的精妙。愛因斯坦也為此很糾結(jié)，認(rèn)為引入宇宙學(xué)常數(shù)完全破壞了他方程的美感，雖然靜態(tài)的宇宙得以維持，但他一直覺得不引入 λ 會更好，而且愛因斯坦在他的論文中只是說明了 λ 在數(shù)學(xué)上的意義，并沒有詳細(xì)討論宇宙學(xué)常數(shù)現(xiàn)實的物理意義。  不過后面事情迎來了轉(zhuǎn)機(jī)，1929年，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃用加利福尼亞州威爾遜山上的胡克望遠(yuǎn)鏡觀測到了比我們所在的銀河系更為遙遠(yuǎn)的星系，在這之前，人們認(rèn)為宇宙就是我們的銀河系，因此哈勃的觀測重新定義了我們的宇宙，更重要的是，哈勃還發(fā)現(xiàn)這些遙遠(yuǎn)的星系都在互相遠(yuǎn)離我們，并提出了著名的哈勃定律（現(xiàn)已被國際天文學(xué)聯(lián)合會改名為哈勃-勒梅特定律），這意味著我們的宇宙不是靜止的，而是在膨脹！ 哈勃的這個發(fā)現(xiàn)含義深遠(yuǎn)，對愛因斯坦來說則更加意義非凡，因為膨脹的宇宙已經(jīng)不需要引入宇宙學(xué)常數(shù)來解釋了，這使愛神終于刪掉了這個 λ 項，讓廣義相對論回歸最初的簡潔。 1931年，高興的愛因斯坦專門來到威爾遜山天文臺和哈勃握手，感謝他讓自己的理論重歸美好。  如果愛因斯坦沒有加入這個λ項，那他可以早哈勃12年就發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹，另外與此同時期的理論物理學(xué)家喬治·勒梅特、亞歷山大·弗里德曼在廣義相對論框架下均得出宇宙膨脹的結(jié)論，并在數(shù)學(xué)上解釋了哈勃定律，之后勒梅特又獨自將宇宙膨脹進(jìn)行時間反演，這暗示著宇宙可能會有一個開端，而這將成為大爆炸理論模型的雛形。這些都是本可能屬于愛因斯坦的偉大成就，因此愛神說引入宇宙學(xué)常數(shù)是他職業(yè)生涯犯的最大錯誤。 不過，在之后的1998年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)我們的宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹，為了解釋宇宙加速膨脹現(xiàn)象，理論物理學(xué)家們提出了暗能量理論，認(rèn)為暗能量是（暗能量是指推動宇宙加速膨脹的所有物理因素，并不特指某一單一事物，事實上，目前任何事物都有可能）推動宇宙加速膨脹的幕后推手，現(xiàn)在大部分理論物理學(xué)家認(rèn)為愛因斯坦在1917年提出的宇宙學(xué)常數(shù)可能充當(dāng)暗能量的角色，只是和當(dāng)年的意義不同，但形式是完全一樣的，因此，宇宙學(xué)常數(shù)又意外的回歸了，但是這個想法目前仍然面臨著巨大問題。 今天，以廣義相對論為框架的大爆炸宇宙學(xué)說是目前最為廣泛接受的描述宇宙的理論，其中的ΛCDM模型則是目前的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，因為它當(dāng)前能夠提供宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)以及宇宙加速膨脹的超新星觀測、暗物質(zhì)等這些現(xiàn)象解釋的最簡單合理的宇宙模型。  距離愛因斯坦發(fā)表的那篇現(xiàn)代宇宙學(xué)奠基之作，如今已過去了100多年，在這期間我們的宇宙觀念在不斷的刷新著，當(dāng)前我們正面臨暗物質(zhì)、暗能量等棘手的難題，我們?nèi)栽诤诎抵忻鳌?br> 不過我相信時間終將會給予我們答案，我也相信未來的基礎(chǔ)物理突破一定會出現(xiàn)在天體物理領(lǐng)域。 來源：時空旋律 編輯：hxg |
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