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爱因斯坦的最新周年纪念标志着现代宇宙学的诞生

发表时间:2019-06-27

作者:易智编译

浏览次数:959

        有时候,似乎每年都有机会庆祝爱因斯坦诞辰。
        2015年,所有人都为他的广义相对论诞生100周年而欢呼。去年,科学家们通过报道引力波的发现,庆祝了他对引力波的预测100周年。今年是爱因斯坦建立现代宇宙学的论文发表100周年。
        在爱因斯坦之前,宇宙学一点也不现代。大多数科学家都回避它。这被认为是哲学家或神学家的问题。你可以在不懂数学的情况下研究宇宙学   。
        但是爱因斯坦向我们展示了广义相对论的数学是如何应用于描述宇宙的。他的理论提供了一种精确研究宇宙学的方法,具有坚实的物理和数学基础。爱因斯坦提供了将宇宙学从推测转变为科学研究领域的方法。
        “毫无疑问,爱因斯坦1917年的论文……奠定了现代理论宇宙学的基础,”爱尔兰物理学家科马克·奥雷菲尔泰(Cormac O’raifeartaigh)及其同事在对该论文的新分析中写道。
        爱因斯坦甚至在完成他的宇宙学新理论之前就已经在思考它的含义。毕竟,广义相对论是空间和时间的理论——所有这些。爱因斯坦的理论表明,引力——塑造宇宙结构的驱动力——只是质量和能量的存在所产生的时空几何的扭曲。(他构造了一个方程,来说明方程左边的时空几何是如何由右边的质能密度决定的。)既然时空和质能基本上占了一切,那么整个宇宙就应该像广义相对论所要求的那样运转。
牛顿引力定律在这方面提出了一些问题。如果每个质量都相互吸引,就像牛顿所宣称的那样,那么宇宙中的所有物质都应该坍缩成一个大团。牛顿认为宇宙是无限的,充满了物质,所以向内的吸引力与向外的物质的吸引力相平衡。不过,没有人真正相信这种解释。首先,它需要一个非常精确的安排:一颗恒星不在合适的位置,引力的平衡就会消失,宇宙就会坍塌。它还需要无穷无尽的恒星,这就不可能解释为什么夜晚是黑暗的。(每时每刻,每条视线都会有一颗星星。)
        爱因斯坦希望他的引力理论能解决牛顿引力的宇宙悖论。1917年初,在他的通论论文发表不到一年之后,他向普鲁士科学院发表了一篇短文,概述了他的宇宙学理论的含义。
        在那篇题为《广义相对论中的宇宙学考虑》的论文中,他首先指出了利用牛顿引力来描述宇宙所带来的问题。爱因斯坦证明,牛顿的引力需要无限空间中有一个有限的恒星岛。但随着时间的推移,这样的恒星群将会蒸发。不过,如果宇宙不是无限的,这个问题是可以避免的。相反,爱因斯坦说,如果宇宙是有限的,一切都会很好。当然很大,但是弯曲的方式使它自己闭合,就像一个球体。
爱因斯坦的数学挑战在于证明这样一个有限的宇宙时空是静态和稳定的。(在那个年代,没有人知道宇宙在膨胀。)他假设在足够大的尺度上,宇宙中物质的分布可以被认为是均匀的。(爱因斯坦说,在大多数情况下,这就像把地球看作一个光滑的球体,尽管它的地形在较小的距离尺度上充满了复杂性。)因此,物质对时空曲率的影响几乎是恒定的,宇宙的整体状况也不会改变。
        所有这些对爱因斯坦来说都是有意义的,因为他对宇宙的实际情况只有有限的认识。和当时的许多科学家一样,他认为宇宙基本上就是银河系。所有已知的恒星运动都相当缓慢,这与他对质量均匀分布的球形宇宙的信念相一致。不幸的是,如果是这样的话,广义相对论的数学就不管用了——它表明宇宙不会是稳定的。然而,爱因斯坦意识到,如果他在原来的方程中增加一项,他对静态球形宇宙的看法就会成功。
事实上,无论如何,我们都有很好的理由把这个词包括进去。O 'Raifeartaigh和他的同事指出,在他早期关于广义相对论的研究中,爱因斯坦在一个脚注中指出,他的方程在技术上允许包含一个附加项。那在当时似乎无关紧要


关键词:

爱因斯坦 新周年纪念 现代宇宙学

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