标记档案:大爆炸

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爵士的星云和星团的望远景象"(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爵士的星云和星团的望远景象”(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观测技术的革命,揭示了宇宙的真实范围。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年证实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,宇宙存在数百亿年之久,比地球(当时估计约为十亿年)或已知的最古老的天体要古老得多。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外星云的径向速度“,勒玛特(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),而不是从某个特定点向外扩展(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。 继续阅读

大爆炸模型的崛起(4):Lemaître

上一篇文章的续集: 动态解决方案

在有关相对论宇宙论历史的系列文章中,我  provide an epistemological analysis of the developments of the field  from 1917 to 2006, based on the seminal articles by Einstein, de Sitter, Friedmann, Lemaître, Hubble, Gamow and other main historical figures of the field. It appears that most of the ingredients of the present-day standard cosmological model, including the accelation of the expansion due to a repulsive dark energy, the interpretation of the cosmological constant as vacuum energy or the possible non-trivial topology of space, had been anticipated by Lemaître, although his papers remain mostly  unquoted.

发现扩大空间

1920年’恰恰是实验数据开始质疑静态宇宙学模型的有效性的时间。例如,在1924年,英国理论家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)指出,在由Vesto Slipher测得的41个星系光谱移动中,有36个发生了红移。因此,他偏爱de Sitter宇宙学解决方案,而在1925年,他的博士研究生,年轻的比利时神父GeorgesLemaître证明了de Sitter解决方案中的线性关系距离-红移。 1925年,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)证明了螺旋星云的河外性质。换句话说,他确认存在其他像我们一样的星系,并且可观测的宇宙比以前预期的要大。更重要的是,来自遥远星系的辐射被系统地红移,这被解释为多普勒效应,表明它们正以极快的速度远离我们。怎么可能?

亚瑟·爱丁顿(1882-1944)
亚瑟·爱丁顿(1882-1944)

年轻Lemaitre
年轻的GeorgesLemaître

是Lemaître解决了这个难题。在他1927年的开创性论文中 牛津大学羊角面包,人造黄油新星大学,以法文出版 布鲁塞尔科学年鉴,勒马特(Lemaître)通过假设一个正弯曲的空间(具有椭圆形拓扑),随时间变化的物质密度和压力以及一个非零的宇宙常数来计算爱因斯坦方程的精确解。他获得了具有永久加速膨胀的模型,其中他调整了宇宙常数的值,例如超球形空间的半径 R(t) 从爱因斯坦静态超球面的半径不断增加 REt = –∞。因此没有过去的奇异之处,也没有“年龄问题”。伟大的新颖之处在于勒玛特(Lemaître)提供了关于宇宙学红移的首次空间扩展解释,而不是银河系的真实运动:空间在不断膨胀,因此增加了银河系之间的明显间隔。这个想法被证明是本世纪最重要的发现之一。 继续阅读

大爆炸模型的兴起(3):弗里德曼’动力解决方案

上一篇文章的续集: 静态解决方案

在有关相对论宇宙论历史的系列文章中,我  provide an epistemological analysis of the developments of the field  from 1917 to 2006, based on the seminal articles by Einstein, de Sitter, Friedmann, Lemaître, Hubble, Gamow and other main historical figures of the field. It appears that most of the ingredients of the present-day standard cosmological model, including the accelation of the expansion due to a repulsive dark energy, the interpretation of the cosmological constant as vacuum energy or the possible non-trivial topology of space, had been anticipated by Lemaître, although his papers remain mostly  unquoted.

弗里德曼’s pioneering work

弗里德曼在1922年发表的一篇文章中,标题为论空间的曲率 (请参阅Luminet 2004以供参考和翻译),俄罗斯物理学家亚历山大·弗里德曼(Alexander 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“dynamic”空间随时间变化的替代方案。正如他在导言中所述,“该通知的目的是证明一个宇宙的可能性,该宇宙的空间曲率相对于三个空间坐标是恒定的,并取决于时间,例如在第四个坐标上。

弗里德曼方程
弗里德曼’s方程。 R是空间的曲率半径,rho是质量密度,Lambda是宇宙常数,k是空间曲率的符号,G是重力常数,c是光速

因此,他假设了一个正弯曲的空间(超球),随时间变化的物质密度和消失的宇宙学内容。他获得了著名的“封闭宇宙模型”,具有扩张的动力-收缩。 继续阅读

大爆炸模型的兴起(2):静态解决方案

上一篇文章的续集:  从神话到科学

在有关相对论宇宙论历史的系列文章中,我  provide an epistemological analysis of the developments of the field  from 1917 to 2006, based on the seminal articles by Einstein, de Sitter, Friedmann, Lemaître, Hubble, Gamow and other main historical figures of the field. It appears that most of the ingredients of the present-day standard cosmological model, including the accelation of the expansion due to a repulsive dark energy, the interpretation of the cosmological constant as vacuum energy or the possible non-trivial topology of space, had been anticipated by Lemaître, although his papers remain mostly  unquoted.

相对论宇宙学的历史可以分为6个时期:

初始 一个(1917-1927),在此期间,在没有任何宇宙学线索的情况下,得出了第一个相对论宇宙模型。

–一段 发展 (1927-1945),在此期间,在动力学弗里德曼-莱马特解决方案的框架中发现并解释了宇宙红移,并对其几何和数学方面进行了更详细的研究。

–一段 合并 (1945-1965),在此期间,预测了轻元素和化石辐射的原始核合成。

–一段 接受 (1965-1980),在此期间,大爆炸理论战胜了“竞争”稳态理论。

–一段 放大 (1980-1998),当时引入了高能物理和量子效应来描述早期宇宙。

–目前的时期 高精度实验宇宙学,现在以几%的精度测量基本的宇宙学参数,并且出现了新的问题(暗能量的性质,宇宙的拓扑结构,量子引力理论中的新宇宙学等)

让我们按选择的顺序关注该领域中思想的发展。 继续阅读

鲁米特’s Illuminations

鲁米特恢复了有限宇宙的可视化效果,尽管我们可以从有限的宇宙中通过一个面退出并同时从相反的一个面进入,但它依靠的是开普勒形式的心理雕塑,可被描述为可塑性而非代数形式。 Luminet的特色石版画 大爆炸,利用透视的空间词汇来唤起三维之外的领域。埃舍尔在绘画艺术中依靠矛盾和模棱两可,而卢米特则认为,暴跌,相互渗透和物质将自身组织成右边的结构。左边的翻滚骰子暗示着偶然性造成的不可逆的混乱。 Luminet在艺术和科学领域的非凡创造力是他重建“知识的人文主义”议程不可或缺的组成部分,而不是将艺术和科学以某种方式混为一谈,因为它们以非常不同的方式运作,与不合逻辑和逻辑手段。但是Luminet认为,他们是出于相同的直觉和直觉:“我不认为我们在一开始就获得了“艺术家的心”或“科学家的心”。一个人内只有一个吞噬世界的好奇心。这种好奇心促使我们通过各种语言和表达方式来探索它,»他说。

马丁·坎普,牛津大学艺术史教授。 摘录自“鲁米特的照明:宇宙模型和直觉艺术”, 自然》,2003年11月20日,第一卷。第426页232

大爆炸模型的兴起(1):从神话到科学

在有关相对论宇宙论历史的系列文章中,我’ll根据爱因斯坦,德西特,弗里德曼,勒迈特,哈勃,加莫夫和该领域其他主要历史人物的开创性文章,对1917年至2006年该领域的发展进行了认识论分析。看来,当今标准宇宙学模型的大多数成分,包括由于排斥性暗能量而引起的膨胀加速,将宇宙学常数解释为真空能或可能的空间平凡拓扑结构,都已经被人们理解了。勒迈特(Lemaitre)预计,尽管他的论文大部分都未被引用。

 From Myth to Science

宇宙,恒星,地球,生命,人的起源是什么?这些问题引起了许多不同的神话和传说,如今,它们比以往任何时候都成为天体物理学家,生物学家和人类学家深入研究的主题。曾经幻想的故事现在变成了科学模型。但是,无论采用何种形式,有关宇宙起源的观念都反映并丰富了创造它们的人们的想象力。每个社会都有自己的故事来解释世界的创造。它们都是植根于宗教的古老神话。

在一神教宗教中,上帝被认为在创造之前就已经存在,而在大多数其他宗教中,神灵被认为是由创造力产生的,如欲望,宇宙之树,世俗的蛋,水,混沌或虚空

提亚马特·马杜克(Tiamat-Marduk)
马尔杜克(Marduk)在巴比伦(Babylonian)创作史诗中大屠杀混乱的巨龙提亚玛特(大英博物馆,伦敦)

对某种原始元素的信仰,在每种文化中都有其踪迹,这使人对宇宙历史的思考成为基础,就像埋在集体潜意识中的原始普遍符号一样。这也许可以解释在创造神话与宇宙起源的现代科学描述之间总是可以辨别的模糊联系,例如大爆炸理论。因此,除了某些思考世界的方式应该深深植根于人的思维之外,这些对应关系并没有什么神秘或令人惊讶的地方。

科学家和哲学家沃尔夫冈·史密斯(Wolfgang Smith)提出的一种有趣的方法(2012年出版)
科学家和哲学家沃尔夫冈·史密斯(Wolfgang Smith)提出的一种有趣的方法(2012年出版)

实际上,对起源的科学和神话解释既不互补也不矛盾。它们具有不同的目的,并受到不同的约束。神话故事是保存集体记忆的一种方式,讲故事的人和听众都无法验证。它们的作用不是解释世界之初发生的事情,而是建立社会或宗教秩序的基础,赋予一系列道德价值。神话也可以用许多不同的方式来解释。另一方面,科学的目的是通过观察支持的理论来发现历史上真正发生的事情。通常被认为是反神话的科学实际上创造了有关宇宙起源的新故事:大爆炸模型,进化论和人类祖先。因此,毫不奇怪的是,科学家们开发的新创造故事往往被公众视为现代神话。

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