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轩轩

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第27章最完美的错误

第27章最完美的错误

(1)

彭罗斯的扭量理论发展起来,他几乎很少在宇宙学上作工作.虽然他的扭量宇宙学作为一个数学理论预言宇宙在空间上应该是双曲的.也就是业内人士所谓的K=-1.彭罗斯作为当代最杰出的广义相对论专家在他的新书<通往现实之道路>里对极早期宇宙发生物理情景表示怀疑.

爱因斯坦曾经在写给外尔的信笺里提到:在引力场方程里引进宇宙学常数是我一生中最大的错误.

宇宙学很象是历史学.但凡讲到历史学,很多人希望能找到一个历史线索,把所有事件联串起来.在宇宙学里,这个历史线索就是宇宙学常数.

北宋的时候,超新星1054爆发.这个超新星是肉眼可见的,白天有23天就可以看到它与太阳一起出现在天穹里.这个事件被中国史官记载下来.超新星是天文观测的宠儿.在黑洞不能被观察到的情景之下,观察到超新星是最好的选择.伽利略发明了天文望远镜,到了1998年,天文望远镜对超新星的观测得到一个惊人的结论:我们的宇宙正在加速膨胀之中.

1992年的cobe卫星看到的宇宙背景涨落被霍金认为是科学历史上最主要的发现.cobe的发现是人类站在137亿年之后看到宇宙的婴儿时代.(光速有限).这个涨落的存在是星系形成和人类形成必须的.所以其意义确实不能小嘘.其观察结论后来被WMAP更加精密地证实.

但1998年发现宇宙加速膨胀是对物理学的一次颠覆.

直观地说,宇宙要加速膨胀,需要有一种反引力,这个反引力是产生排斥力的.

(2)

因为光速有限,我们可以看到宇宙的过去.比如在夜晚的时候看到星空,多数星星的光线旅行到地球上,化了上万年的时间.更加早的光线可以到达地球,最早的光线是在宇宙变的透明的时候发出来的.原则上人们不能看到宇宙大爆炸时候发出的火光,因为在这个时期,宇宙里的光子因为极端高温所以反应的很剧烈,它们是高能物理的奴仆,还不是自由身.等宇宙冷却下来,它们才能跑出来,到了今天,成了宇宙背景辐射.

宇宙背景辐射是一个光子背景.它们是最远古的使者,再没有比它们更老的老人了.也许还存在一个中微子的背景,中微子的背景这里先不去招惹它们,因为中微子只有左手的,它可能是有质量的.这一切太复杂了.等我们讲暗物质的时候再慢慢写起.

宇宙背景光子它们是宁静的,当它们被发现是那么的均匀的时候,彭奇亚斯和威尔逊这两个不经意的工程师得到了诺贝尔奖.而当它们被发现不是那么均匀的时候,霍金觉得这个事情简直是无比精美.

这个背景是寒冷的宇宙舞台,这个舞台的温度是零下270度.在这个舞台之上,流星赶月,漫天繁星.对于这个寒冷的舞台来说,星星的生老病死显得生机勃勃.但这个舞台是光子背景,极端高能的粒子不能在上面行走,因为极端高能粒子可以与背景光子发生反应.物理学家能在这个舞台上看到历史.

1985年,这一年,北京城里全是自行车,北京师范大学引力组的研究生把霍金抬上了长城.霍金在长城之上说:"我宁愿死在长城,也不愿意死在剑桥".霍金在长城上看到了的历史比较其熟悉的宇宙历史,要短暂的多.但中国历史的曲折变迁的美丽可以在长城看到,而宇宙历史的神秘变迁的美丽可以在宇宙学常数里看到.

霍金对宇宙学的贡献是他的无边界宇宙论,.也就是说他认为宇宙的K=1.相反,彭罗斯的扭量宇宙学认为k=-1.而微波背景角功率谱说明k大约等于0.

K等于多少相当于问宇宙在空间上到底是不是有限的,这个问题在爱因斯坦年代是一个不好回答的问题.现在依然不好回答.一种方法是利用观测到的哈勃常数求出临界密度,然后再测量出宇宙的平均密度,但这个观测的误差不小,.事情没有办法在短暂的瞬间被敲死.爱因斯坦当时相信宇宙静态,所以得到的静态宇宙模型在空间上是一个三球面.爱因斯坦相信宇宙静态,实际上他的静态宇宙是经受不起微扰的,也就是说,一个胖子在地球上跺脚,可能引起宇宙剧变,天崩地裂.

爱因斯坦为了得到这个错误的宇宙模型,引进了一个宇宙学常数.因为这个宇宙学常数可以提供反引力,使得宇宙不因为万有引力收缩从而达到静态.

爱因斯坦引进宇宙学常数成就了历史的曲折险峻.

1998年宇宙加速膨胀被发现之后,人们把引起这个加速膨胀的能量称为暗能量.(dark energy).这个暗能量到底是什么?到现在还没有人知道,我们仅仅知道背景光子绝对不是暗能量,因为人们对暗能量几乎一无所知.但这个暗能量在宇宙中占的比例,居然高达73%.

物理学家一向以理解宇宙为己任.但现在看来,除了73%未知道的暗能量,就是27%未知的暗物质(dark matter).而物理学家比较熟悉的普通物质和辐射,只占了不到1%.

看到如此水深火热的物理学现状.没有一个物理学家不高兴,因为这个时代是喜忧参半的时代,英雄出于乱世,现在是一个很好的乱世.

(3)

如果暗能量密度不会随着时间改变.那么这个暗能量就是爱因斯坦的宇宙学常数.所谓常数,就是它作为一个能量密度随着宇宙膨胀保持不变.相当得说,假如一个商人看见自己的钱放满在柜子里,.当自己想办法把自己家的柜子变得越来越大,而钱总是满的一柜子.这真是一个无比让人喜悦的事情.

宇宙也许正在发生这样的一幕.

在宇宙学这个热门领域只有物理学家,没有理想主义者.因为理想主义者只能处理数学模型,不能处理天文观测.爱因斯坦曾经在他那个时代在宇宙学领域表现出的是一个理想主义者的姿态,这个姿态使得他在物理实验还没有成熟的时候单纯因为信仰问题而引进这个宇宙学常数,这个被他认为是最大错误的常数使得他隐隐作痛.

对于现今的物理学家来说,爱因斯坦犯下的是一个完美的错误.

《相对论通俗演义》

i will love you till the null infinity.

发表时间：2006-02-27, 05:04:49