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一本小书道尽宇宙时空结构的演化


时间:2022-05-06  来源:  作者:  点击次数:


《宇宙小史》,[美]作者莱曼佩奇,韩潇潇译,中信出版集团2022年3月出版,定价:69元

爱因斯坦说,当数学规则与现实相联系时,它们是不确定的;而当他们下定决心后,就与现实无关了。这里说的是现实,也就是物理。

换句话说,一旦涉及到物理学,就会产生不确定性,而新的物理学就会从这种不确定性中产生。

关于宇宙的思考可以追溯到人类文明早期:中国有阴阳五行,天人合一,古印度有释迦牟尼的宇宙,古希腊有亚里士多德的《论天》,《圣经》。伽利略和牛顿确立了自然界的逻辑思维必须经过观察和实验的检验,于是现代科学诞生了,至今不过300多年。

理论必须和实验观察相结合,这是现代科学的核心思想。李政道先生曾经提出物理学家的两个定律:没有实验物理学家,理论物理学家就飘了;没有理论物理学家,实验物理学家会犹豫。

在理论与实验相结合的原则指导下,20世纪初现代科学发生了两次重大变革:一次是从牛顿的绝对时空观到相对论时空观的转变;首先是拉普拉斯确定性因果观向量子力学统计因果观的转变。

这两次大变革的发展一直延续至今,并体现在现代宇宙学的发展中,涉及到宇宙时空结构的演化和宇宙诞生发展的推动。

由于广义相对论的观测效果极其精细,二战后电子技术的飞速发展使现代宇宙学进入了一个高速发展的时期,成为20世纪下半叶以来最引人注目的新兴基础学科之一,出现了许多面向普通读者的通俗读物。

这篇《创世记》作者是美国国家科学院院士、普林斯顿大学教授莱曼佩奇(Lyman Page),主要研究宇宙时空结构的演化,涉及时空概念的转变和物质概念的发展。

牛顿的时空观把空间想象成一个空的、固定的真空容器,用来装载各种物质物体,把时间看作这些物体在这个真空容器中演绎变化的过程。这是植根于我们日常生活经验的直观概念,容易被普通读者接受。

狭义相对论根据光速不变的假设,推导出“同时”具有相对性。3354从车上看,是两件事同时发生,从地面看不是。这与我们的日常生活经历不同,在当时的欧洲民众中引起了轰动,使爱因斯坦成为妇孺皆知的人物。

另一方面,广义相对论根据惯性质量和引力质量相等的假设,推导出时间和空间与物质相关,并随着物质的分布和运动而变化,这进一步颠覆了我们的日常生活体验,也更难让大众接受。

为什么会这样呢?请出示证据!在本书中,佩奇重点介绍了宇宙时空结构如何演化的观测证据,以及这些证据所指示的宇宙物质的形态和结构的情况。

这本书的主体由五章和四个附录组成。第一章介绍宇宙的大小、膨胀和年龄。第二章介绍了宇宙微波的背景、物质、暗物质和宇宙常数,以及宇宙结构的形成和演化。第三章专门分析宇宙微波背景,这是宇宙观测的一个主要方面。第四章分析了当前的理论标准宇宙模型;第五章讨论了宇宙学研究的几个前沿领域,其中最有趣也最不清楚的是宇宙常数,它是宇宙结构的最大组成部分。

狭义相对论假设空间和时间不是独立的,三维空间和一维时间相互关联形成四维时空。广义相对论进一步假设四维时空不是直的,而是弯曲的,并且

爱因斯坦说,当数学规则与现实相联系时,它们是不确定的;而当他们下定决心后,就与现实无关了。这里说的是现实,也就是物理。换句话说,一旦涉及到物理学,就会产生不确定性,而新的物理学就会从这种不确定性中产生。当时对物理学的理解主要是引力,所以这个方程被称为爱因斯坦的引力场方程。这就是现代宇宙学所分析的。

里面的物理。

最初的物理,只想到万有引力来自物质的质量,认为这是决定时空弯曲和宇宙结构的主要成分。而只有引力的体系不可能静止,为使宇宙静止和稳定,还要引入新的物理,所以爱因斯坦在方程中又加了只与时空有关的一项,叫作宇宙项,比例常数就叫宇宙学常数。

当时人们觉得这一项的作用很小,甚至可以略去。但是随着实际观测的进行,发现由原子、分子构成的可见物质的作用很小,只占大约5%,还必须有大约25%看不见的“暗物质”,而其余大约70%是宇宙学常数项的贡献,又作“暗能量”。

这个当初爱因斯坦都想略去的宇宙学常数,竟然成了支配整个宇宙的主要成分。此外,为改善微波通信而于1965年偶然被发现的宇宙微波背景,虽然所占份额很小,但却是观测早期宇宙及其结构分布的重要手段。

这就是佩奇这本书中说的现代宇宙学关注的宇宙微波背景、物质、暗物质和宇宙学常数四大部分。

爱因斯坦还说过:逻辑上简单的东西,当然不一定就是物理上真实的东西;但是物理上真实的东西,一定是逻辑上简单的东西。这就涉及广义相对论的逻辑与数学结构,超出了一本普及读物的范围。

佩奇的这本书,基本上不用数学公式,尽量避免使用专业术语,使用了许多浅显和接近日常生活的比喻,语言生动活泼。但是正如他所说的,还是对读者的知识水平和兴趣程度做出了更高的预期,读者如果有一定的知识水平,并且对他的讲解有很大兴趣,就可以从他的叙述与解说中获得更多知识。

当然,正像他在第五章最后的小结中所说,对于那些凝望深空的人来说,发现了新事物,产生了新想法,就是最好的兴奋剂。开卷有益,只要认真地看,就会有所收获。

(作者系北京大学物理学院教授)


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