the biggest blunder in my career爱因斯坦

  尽管在与哥本哈根学派30年的学术论战中屡败屡战,但崇信机械宇宙观的爱因斯坦从不认为自己对量子力学的反对是错误的,他坚定地认为宇宙不存在概率性,概率的出现是因为我们对宇宙的认识不够彻底。然而多次的实验却无情打脸,上帝的确在掷骰子。

  爱因斯坦认为自己一生中最大的错误,是宇宙常数Λ,在爱因斯坦看来,这是一个失败的作品,然而现实却再度和爱因斯坦开了一个大玩笑。

  随着对宇宙认识的深入探索,被爱因斯坦宣告“死刑”的宇宙常数却在宇宙学中重新复活,科学家认为它蕴含着无穷的价值。这究竟是怎么回事呢?

  

被爱因斯坦视为最大错误的宇宙常数,真的是一个失败的作品吗? 爱因斯坦 宇宙常数 第1张


  爱因斯坦为何创造宇宙常数

  从上古时期开始, 人类对于宇宙的探索就从未停止,但是科学家从未构建过比较系统的宇宙学理论,直到牛顿的出现,牛顿描绘了一个比较成熟的宇宙模型,牛顿认为宇宙是一个无限也没有边界的三维欧氏几何空间,分布着无无限多的天体,而这些天体全部受到了万有引力的影响。

  

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  然而牛顿的宇宙模型却存在着许多的问题,1894年,塞里格尔经过研究发现,如果宇宙是一个三维的欧式几何空间,而万有引力作用于宇宙的每一个地方,且充满了平均密度处处不为零的物质,那么计算出来的引力势在空间的每一个点上都会是无限大的,这样就到导致宇宙任何一个物体都会受到无限的加速度,这显然是不可能的,因为物体会在这样的加速度下被撕扯的粉碎,这说明了万有引力理论与宇宙的不自洽。

  

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  然后就是奥尔柏斯提出了著名的光度佯谬,这些都在说明牛顿构建的宇宙学体系存在着许多的问题,如果想要解决这些问题,那么就只有两条路:1、修改万有引力理论,符合牛顿构建的宇宙模型;2、修改宇宙模型,符合牛顿的万有引力理论;3、将两者都进行系统地修改,符合事实。

  

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  1915年,爱因斯坦提出了自己的广义相对论,并且发表了广义相对论的核心方程广义相对论场方程,爱因斯坦的广义相对论认为,引力的产生是时空弯曲的结果,水星近日点的进动、光线在太阳附近的偏折等实验都证明了广义相对论的正确性。

  

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  这个时候他尝试将广义相对论引入宇宙学之中,构建新的宇宙模型,1917年,1爱因斯坦在普鲁士科学院提交了一篇题为《广义相对论下的宇宙学思考》的论文,这也是现代宇宙学的开端,爱因斯坦构建了一个全新的宇宙学模型。

  

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  然而,其他科学家用广义相对论场方程推导,发现宇宙是处于膨胀状态的,这让爱因斯坦十分惊讶,宇宙怎么可能膨胀,宇宙应该是静止的,为了解决这个问题,爱因斯坦在场方程中引入了Λ,他称之为宇宙常数。

  

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  再加入了宇宙常数之后,爱因斯坦就构建了一个有限无边的静态宇宙模型,解决了牛顿宇宙模型中的矛盾。

  

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  尽管解决了矛盾,但是爱因斯坦本身对于宇宙常数也不太满意,认为它破坏了广义相对论场方程的完美。而就在这个时候,哈勃的发现,让爱因斯坦发现,宇宙常数的诞生就是一个错误。

  红移现象的发现,宇宙常数被宣告死亡

  在哈勃之前,物理学家就发现了爱因斯坦的宇宙模型并不稳定,虽然依靠Λ,爱因斯坦构建了一个能暂时处于静态的宇宙模型,但是只要场方程中某一个参数有稍许变化,那么宇宙模型就不可能保持静态,不是膨胀就是塌缩。

  1922年苏联科学家弗里德曼对场方程进行了重新求解,它认为爱因斯坦引入的“宇宙常数项”完全没有存在的必要,经过重新求解,他得出了第一弗里德曼方程!

  

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  爱因斯坦、哈勃、弗里德曼

  第一弗里德曼方程认为宇宙是处于膨胀状态,对于弗里德曼得出的结论,爱因斯坦一开始不以为意,但后来哈勃发现的星系红移现象证实了弗里德曼的预言。

  不同的元素存在着不同的特征谱线,每种元素的特征谱线都是独一无二的,这就相当于是元素的DNA,所以科学家就利用这个特性,在光谱中找到某种特征谱线之后,来确定光源中相对应的元素

  

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  1929年,哈勃利用特征谱线的特性,发现宇宙中的星系的电磁辐射波长增加了,就是光谱的谱线向红端移动了,它意味着星系正在朝我们远去,这就是星系红移现象。

  哈勃还发现星系的红移量与该星系的距离成正比的关系,也就是说,越远的星系正在以越快的速度飞驰而去,这被称为哈勃定律,哈勃得出了结论:宇宙在均匀地膨胀。

  

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  这在现代宇宙学中具有里程碑性的意义,它意味着宇宙不是静态的,而是处于膨胀状态,这也就是说爱因斯坦构建的有限无边宇宙模型存在错误,而弗里德曼的预言本来就是直接从没有宇宙常数的场方程中得到的,而哈勃的发现更是确证了宇宙常数是一个多余的累赘。

  宇宙在膨胀,今天已是无可怀疑的事实。根据今天宇宙膨胀的速度,可以推出,宇宙在一二百亿年前脱胎于高温、高密状态。爆炸过程(不同于炸弹)中每对粒子间的距离俱增,物质密度减小,温度下降,引力能转化为粒子能。 《爱因斯坦与现代宇宙学》

  爱因斯坦无奈地承认了这一个事实,宣告了宇宙常数的死亡,称宇宙常数是自己人生中最大的错误。但是,后来物理学家又发现,宇宙常数具有很重要的意义。

  

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  宇宙常数复活,被认为与宇宙膨胀的速率有关

  哈勃发现了星系红移现象之后,科学家一直认为宇宙是处于减速膨胀的状态,但是美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔波尔马特、澳大利亚物理学家布莱恩施密特以及美国科学家亚当里斯组总共观测了约50颗遥远的“Ia型超新星”,表明当前的宇宙存在加速膨胀。

  

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  科学家通过给Ia型超新星定位,并测量它们如何运动;他们发现Ia型超新星的亮度比预期的要暗,也就是说它们正在快速远离地球,这速度比我们预期的要快。

  

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  科学家由此得出结论,在几十亿年前的时刻,宇宙的膨胀速度开始,我们如今生活在一个加速膨胀的宇宙中,也就是在这个时候,科学家发现宇宙膨胀的速率和宇宙常数之间存在联系,宇宙常数开始复活。

  如果从芬斯勒度规下的场方程出发,你就会发现嘉当张量有关的曲率标量起着爱因斯坦宇宙常数的作用,因此,芬斯勒宇宙模型很可能正确表述了我们的宇宙,其中的垂直曲率标量就是导致宇宙加速膨胀的原因。《The Geometry Interpretation for Einstein's Cosmological Constant ∧》

  但这次宇宙常数的复活,对于爱因斯坦而言,却并不是一个好的事情,复活的宇宙常数连接了量子力学的微观世界和爱因斯坦广义相对论的宏观世界。

  因为萨尔波尔马特等三人认为是“暗能量”的原因导致了宇宙正在膨胀加速,而2011年诺贝尔奖授予它们三人,也意味着学术界对“暗能量”的认可。

  

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  而暗能量在引力场中起的作用,正好与爱因斯坦原来引进的Λ一项类似,因此才又把Λ给重新复活。暗能量的来源,则是量子场论所预测的真空涨落。而量子力学,正是爱因斯坦一生中始终怀疑也从未接受的理论,可以说,爱因斯坦一生都在反对的量子力学,始终在紧紧缠绕着爱因斯坦。

  但是,宇宙常数如今依旧神秘,它的取值依然困扰着大家,它的值究竟是否为零,或者在加速膨胀的宇宙中扮演着重要的角色,能够告诉我们答案的或许只有时间。

  

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