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宇宙终极命运,竟然写在爱因斯坦的一个“错误方程”里?

星海漫游2022-03-31宇宙前沿358
聪明如大天才爱因斯坦,其实也有脑袋不清楚的时候。不用说,是人都会犯错,但天才犯的错又往往会被特别放大。而爱因斯坦一生最大的错,就在于在那个年代,他也认同宇宙的大小是固定的,基于这个观点进而为了解释物质

聪明如大天才爱因斯坦,其实也有脑袋不清楚的时候。

不用说,是人都会犯错,但天才犯的错又往往会被特别放大

宇宙终极命运,竟然写在爱因斯坦的一个“错误方程”里?


爱因斯坦一生最大的错,就在于在那个年代,他也认同宇宙的大小是固定的,基于这个观点进而为了解释物质密度不为零的静态宇宙的存在,爱因斯坦便硬生生搞了一个「宇宙常数」给他的相对论方程凑了个答案。即便广义相对论预示事实并非如此的时候,爱因斯坦也没有转变思路,反而在1917年发明这个概念时,强行以笨拙的数学手段,迫使广义相对论方程式产生了一个静态宇宙的解,因为当时他与多数物理学家都相信宇宙应该是静态的。

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结果后来科学家、宇宙天文观测实干家埃德温哈勃(哈勃望远镜就以他的名字命名),通过观察宇宙,显示宇宙实际上一直在膨胀。他在测量了许多星系的运动速度后,惊讶地发现它们都在远离我们;事实上,距离越远的星系,远离的速度越快。这个测量结果代表宇宙空间各处都在膨胀:无论你从何处观看宇宙,所有的星系似乎都在退行,因为天体之间的距离不断增加。

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也就是说我们的宇宙并不是静态,反而是一个奇异又令人困惑的宇宙。


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哈勃发现的星系红移的哈勃定律﹐强力证明了静态宇宙模型与实际天文观测并不相符。而被观测结果打到脸肿的爱因斯坦只好默默把宇宙常数又从场方程中拿走了。

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实际上爱因斯坦起初根据他的场方程求解出的宇宙就是膨胀的。可这不符合那时候他对宇宙的认知(这多多少少跟爱因斯坦是个理论物理学家有关),所以他人为地加入了一个宇宙学常数项。但随着哈勃发现了哈勃定律,证实了宇宙的膨胀,爱因斯坦便去掉了这个常数项,并宣称这是他“一生犯的最大的错误”。

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然而,随着近些年人类观察宇宙手段的升级,不管是强大的太空望远镜,大型对撞机,还是超级计算机,以及引力波探测仪等先进科技手段的出现,一些宇宙现象都让物理学家觉得事情没那么简单。

在1990年代末期,两组天文研究团队竞相测量宇宙膨胀速率下降的程度,认为物质受引力作用彼此吸引会减缓宇宙膨胀。他们在观测了一种可精准测定距离的特殊超新星后,在1998与1999年发表的研究结果却显示,极为遥远的那些超新星的亮度比预期更低,即代表其距离更加遥远。换句话说,宇宙膨胀的速率没有下降,反而仍在加速。这项惊人的发现使两组团队的三位关键主导人获得2011年诺贝尔物理奖。宇宙学家特纳(Michael Turner)因此正式发明了「暗能量」一词,用来描述造成宇宙加速膨胀的神秘力量。

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有些物理学家迅速提出想法,认为宇宙常数(即真空能量)可能就是暗能量的来源。

宇宙常数这一概念没想到又重新复活了!

宇宙加速膨胀现象的其中一位发现者波尔穆特后来就写道:「或许在爱因斯坦的错误中,恰恰隐含着凡人再怎么努力也无法企及的洞悉力

现在物理学家已开始广泛认可,宇宙正在加速膨胀的背后很可能跟看不见摸不着的宇宙暗能量有关。

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可重新加回宇宙常数并没有让研究更简单,反而复杂了起来。

虽然物理学家引入宇宙常数,使爱因斯坦重力场方程式再次平衡,可以计算出观测到的宇宙的加速膨胀现象,但宇宙常数的数值并没有意义。实际上,宇宙常数使长期困扰物理学家的另一问题更加棘手:在剔除宇宙常数的那几年,物理学家把这个广义相对论的专有名词与量子力学的真空能量概念连结,但真空能量应该相当大。

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物理学家泡利是最先发现不对劲的人之一,他在1920年代发现这种能量强大无比,以宇宙膨胀的时间来说,其中任何物体之间的距离应该早就超过光所行进的范围。泡利计算得出整个可观测宇宙的大小,「应该不超过月球的范围。」据说他觉得自己的估算非常有趣,但当时没有人认真看待。第一位根据量子理论对真空能量的预测而计算出宇宙常数值的,是物理学家沙多维契,他在1967年发现这种能量使宇宙常数变得非常大。不过,当时的物理学家认为宇宙是以稳定或逐渐降低的速率膨胀,且大多相信宇宙常数应该为零。宇宙常数问题因此诞生。

30年后,当天文学家意识到宇宙正在加速膨胀时,这个问题没有消失。宇宙加速膨胀的现象虽令人震惊,但比起量子理论的预测值,宇宙加速膨胀的速度显得太小了。就概念上,重新引入宇宙常数反而加深了研究困境。宇宙常数为什么只比零大一点,实在令人费解。以至于物理学家感叹,这个数值非常奇怪,甚至比其值为零还诡异。

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不过并非所有人都认为这是需要解决的问题。德国法兰克福高等研究院的理论物理学家赫森费德(Sabine Hossenfelder)认为,宇宙常数只是个自然界常数,在方程式中可以是任何数值,这数值只是巧合而已。

但是许多物理学家仍不轻言放弃,认为必然有某些原因,才会造成宇宙常数如此微小

尽管物理学家渴望攻克这问题,但进展却令人沮丧。自这个问题被指出已经50年,仍未有公认的完备解释。不断有新想法提出,但很少经得起考验。

宇宙终极命运,竟然写在爱因斯坦的一个“错误方程”里?


最后甚至有科学家尝试用多重宇宙理论来解释了

在宇宙常数问题的解决方案中,人择原理是最突出(却也是某些物理学家最痛恨)的一个方法。

认同这个方案的科学家认为,我们计算出的宇宙常数虽然是一个不太可能出现的数值,但可以用“多重宇宙”的说法来解释。“多重宇宙”理论认为我们的宇宙只是宇宙大洋中的一个泡泡,各自有着不同的物理定律和常数,必然有个泡泡就是我们所在的这个宇宙的常数值。其他大多数泡泡不会形成有星系、恒星、行星或生命的宇宙,因此毋庸置疑我们的宇宙与其他宇宙迥然不同。

宇宙终极命运,竟然写在爱因斯坦的一个“错误方程”里?


由于热门的弦理论正好需要运用多重宇宙的概念,因此研究弦论的物理学家倾向认为,透过这项推论就可解决宇宙常数问题。而其他物理学家则认为这就是偷懒和逃避。等同于放弃回答这个问题。

而根据目前的科学家们的总体观点,认为实际上所有目前提出的解决方案几乎都要大幅度调整既有的物理理论。每个解决方案都修改了基本物理原理,例如时空或宇宙的维度数量。

没有任何一种理论明显比其他理论更高明,每一个理论都会被其他的科学家讨厌。

或许也有可能,压根就没人提出真正的答案!


宇宙终极命运,竟然写在爱因斯坦的一个“错误方程”里?



但现实就摆在那里!

占比宇宙高达70%的暗能量作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在,而且大大扰动了我们的宇宙,使宇宙的膨胀速率严重失控,其所产生的汹涌澎湃的排斥力已令整个宇宙为之变色。
暗能量是怎么来的?它将如何发展?这已经是21世纪宇宙学所面临的最重大问题之一。
至于宇宙常数和暗能量暗物质究竟是怎样的一种关系?是否还预示着多重宇宙平行宇宙的存在?
这些都还是全球物理学家每天掉头发在琢磨的事,尚无定论。


莫非爱因斯坦真的是对了又错,错了又对?


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