宇宙形成(9):大爆炸发现

上一篇文章的续集 宇宙发生(8):神经假说

星团和星云。此页来自"Rosse伯爵和J.Herschel爵士对星云和星团的望远镜观测"(1875年)包括不同观察者绘制的各种星云图。有星团和气态星云(现在已知属于我们自己的星系)以及其他星系。当时的观察技术无法区分这些非常不同类型的物体。
星团和星云。 此页来自“Rosse伯爵和J.Herschel爵士对星云和星团的望远镜观测”(1875年)包括不同观察者绘制的各种星云图。有星团和气态星云(现在已知属于我们自己的星系)以及其他星系。当时的观察技术无法区分这些非常不同类型的物体。

在20世纪第一季度,宇宙学成为一门独特的科学学科,这在一定程度上要归功于爱因斯坦在1915年提出的广义相对论在理论上的进步,在一定程度上要归功于揭示了宇宙真实范围的观测技术的革命。 。在终于能够测量某些螺旋星云的距离之后,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)可以在1925年确认存在像我们这样的其他星系。

他的同事Vesto Slipher以前曾发现,这些星系发出的辐射一直在朝着光谱的红色端移动,这表明它们正以极快的速度远离我们。直到科学家们开始接受基于广义相对论的想法,这一运动才被人们所理解。这种想法是亚历山大·弗里德曼(Alexandre Friedmann)于1922年提出的,而乔治·勒马特(GeorgesLemaître)则是在1927年独立提出的:空间在不断扩大,因此增加了星系之间的距离。这个想法被证明是本世纪最重要的发现之一[一世] .

亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann),1922年
亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann),1922年

在1922年发表的一篇文章中,标题为“论空间的曲率“,弗里德曼(Friedmann)采取了爱因斯坦所不愿采取的措施:他放弃了静态宇宙的理论,提出了一个“dynamic”空间随时间变化的替代方案。第一次以纯粹的科学术语解决了宇宙的开始和结束的问题。弗里德曼(Friedmann)提出,宇宙有数百亿年的历史,比地球(据估计约有十亿年的历史)或最古老的已知天体的年龄大得多。这是一个了不起的预测,对宇宙年龄的最新估计是在10到200亿年之间。

1927年,在一篇开创性的文章中,“恒质量和半径增加的同质宇宙解释银河系外星云的径向速度“,勒梅特(Lemaître)通过在广义相对论的背景下将哈勃和斯利珀的观测解释为宇宙膨胀的表现,从而解释了它们。这种膨胀是均匀地在整个宇宙中发生的(可能是有限的也可能是无限的),而不是从特定点向外扩展(在这种意义上,经常被引用的气球膨胀的类比具有误导性)。这不是物质在固定的几何框架内移动的情况,而是框架本身在膨胀,“fabric”时空拉伸。

勒马特指出,太空的诞生。乔治·勒马特(GeorgesLemaître)独立于弗里德曼(Friedmann),发现广义相对论可以应用于非静态宇宙,他开发了两个模型,他认为这可以解释"birth of space"。首先,他计算了如果宇宙是同质的和各向同性的,宇宙将如何演化。在Louvain的Lemaitre档案中,有一本日记,其中包含他1927年的文章草稿以及两个未出版的图表,这些图表显示了时间的演变。"cosmic scale factor"(作为时间函数的对宇宙大小的度量)取决于所有具有正曲率的宇宙的宇宙常数的值。在1931年,他提出了第二个基于原始原子的模型,其中空间和时间同时诞生。这是现代大爆炸理论所基于的该模型的变体。关于宇宙微波背景的最新数据(2000年春季)似乎偏爱这样一种Lemaître模型,它具有正的宇宙学常数(即不断扩大的空间,以加速的速度)。乔治·勒玛特(GeorgesLemaître),手稿,1927年,卢旺,大学,勒玛特档案;
勒马特所言太空的诞生。乔治·勒马特(GeorgesLemaître)独立于弗里德曼(Friedmann),发现广义相对论可以应用于非静态宇宙,他开发了两个模型,他认为这可以解释“birth of space”。首先,他计算了如果宇宙是同质的和各向同性的,宇宙将如何演化。在Louvain的Lemaitre档案中,有一本日记,其中包含他1927年的文章草稿以及两个未出版的图表,这些图表显示了时间的演变。“cosmic scale factor”(作为时间函数的对宇宙大小的度量)取决于所有具有正曲率的宇宙的宇宙常数的值。在1931年,他提出了第二个基于原始原子的模型,其中空间和时间同时诞生。这是现代大爆炸理论所基于的该模型的变体。关于宇宙微波背景的最新数据(2000年春季)似乎偏爱这样一种Lemaître模型,它具有正的宇宙学常数(即不断扩大的空间,以加速的速度)。
乔治·勒玛特(GeorgesLemaître),手稿,1927年,卢旺,大学,勒玛特档案;

1931年,勒梅特(Lemaître)敢于做出一个更加离谱的假设:如果宇宙现在正在膨胀,那么过去某个时候它是否会变得更小,更密集?为了找到星云和原子之间的联系,他运用了有关粒子和放射性的最新知识:“全面的宇宙历史应该以与恒星相同的方式描述原子。”在遥远的过去,宇宙必须如此凝结,以至于它是一个单一的实体,“primeval atom”,勒梅特(Lemaitre)设想“quantum”,指的是当时新兴的量子物理学学科。“我们可以想象,空间是起源于原始原子的,而空间的诞生也是时间的诞生。”

原始原子其他科学家对此想法的接受度很低。 Lemaître是一位数学家,与他的宗教信仰相关联(他于1923年被任命为神父),这一事实无疑增加了他们对倡导一种新的世界观的自然抵抗力。到1950年,勒迈特(Lemaitre)用英语发表了他的理论摘要时,题为 原始原子:宇宙论论文, 这是完全不合时宜的。两年前的竞争理论“steady state”主要由美国的托马斯·戈德(Thomas Gold)和英国的赫尔曼·邦迪(Hermann Bondi)和弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)支持的Universe受到了广泛赞誉。他们的论点是,宇宙一直是并且将永远保持现在的样子,那是永恒不变的。

弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)很少对他的科学对手表示慈善,于1960年在帕萨迪纳(Pasadena)举行的一次会议上取笑了勒迈特(Lemaître),将他介绍为“the big bang man”. The expression “big bang”脱离贬义的语境,得益于俄罗斯出生的美国物理学家乔治·格莫夫(George Gamow)的科学说法,乔治·格莫夫曾是亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)的学生。因此,霍伊尔不经意间在普及他不相信的理论方面起了重要作用。他甚至通过帮助解决宇宙为何包含如此多的化学元素的问题,将大爆炸理论带入了大爆炸理论的磨坊。

乔治·格莫
乔治·格莫

高莫预测,早期宇宙的痕迹比当时凉爽得多,可以作为一种特定的微波辐射模式进行检测。就是这样“background”1964年,Arno Penzias和Robert Wilson检测到了辐射。经过半个世纪的拒绝,勒梅特 ’以流行语为幌子的原始原子“big bang theory”最终被理论物理学家所接受。

所谓的大爆炸模型是基于观察和实验的,其结果已尽可能地推算到过去(不可能回到宇宙的最开始),并通过假设和计算–这是物理学中的规则。没有其他类型的模型可以像大爆炸理论那样证实观察到的现象。[ii] 其他理论,例如“tired light” and the “static universe”,曾经尝试与之竞争甚至取代它(通过发明任意的物理定律),但它们与观察相矛盾–特别是背景辐射。只有现在被天体物理学家几乎普遍接受的大爆炸理论,才能令人满意地解释大型望远镜的观测质量以及在粒子加速器中进行的实验结果,并追溯宇宙创建的主要阶段–这个过程耗时不是六天,而是140亿年!

 References

[一世] 《世界美学》,同名A. Friedmann et G.Lemaître,《Lérépécédé》’大爆炸发明,  Le Seuil,上校。 Sources du Savoir,巴黎,1997年。

[ii] 看到 现代宇宙学导论 李Liddle(第3版), Wiley, 2015.

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One thought on “宇宙形成(9):大爆炸发现”

  1. Bonjour,通俗易懂的星空大道,Retempir le temps.Avez-vsremarqué,enfant,在Tourne Autour d上’巴黎奥特莱斯剧院,在été上的矩阵摄影棚里。’临时临时人员

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