世界上最不可理解的事情，便是這個世界是可以理解的。
——阿爾伯特·愛因斯坦
宇宙從何而來？
我們?yōu)槭裁创嬖冢?/p>
宇宙是由什么構(gòu)成的？
宇宙未來的命運(yùn)將如何走向？
…………
○ 大爆炸模型的宇宙演化歷史
雖然人類千百年來就一直思考著自身存在及宇宙的起源等等問題，但是，在1917年之前，這些思考一點(diǎn)都不成熟，對宇宙學(xué)的研究也一點(diǎn)都不現(xiàn)代。如今，我們已經(jīng)進(jìn)入了精確宇宙學(xué)時代，大爆炸宇宙論、宇宙微波背景輻射（CMB）、宇宙加速膨脹（暗能量）、暗物質(zhì)……，我們今天談?wù)摰倪@些內(nèi)容都基于愛因斯坦的廣義相對論。而現(xiàn)代宇宙學(xué)的這一切，都要始于愛因斯坦在103年前寫的一篇題為《在廣義相對論框架中的宇宙學(xué)思考》論文。
要進(jìn)行宇宙學(xué)思考，必須要有廣義相對論對吧，我們在這簡單了解一下廣義相對論。
在廣義相對論問世之前，描述引力的理論一直是牛頓爵爺的萬有引力定律，在其發(fā)表之后的兩百多年間無人能撼動它的地位，直到火車上一個年輕德國人的冥想打破了夜的寂靜，由此引出了一系列全新的概念。愛因斯坦認(rèn)為雖然牛頓的引力理論在大多數(shù)情況下是成立的，但是卻存在概念上的錯誤，即引力并非如牛頓所說的物質(zhì)間產(chǎn)生的吸引性質(zhì)，而是物質(zhì)與時空相互作用的結(jié)果。在廣義相對論中，三維空間和一維時間被統(tǒng)一在3+1維的四維時空當(dāng)中，時空具有可塑性，由于物體的質(zhì)量造成了其周圍時空幾何形狀的彎曲，而在其周圍的物體會沿著彎曲時空中的最短路徑（測地線）運(yùn)動，從而產(chǎn)生了我們稱之為引力的效應(yīng)。
○ 在廣義相對論中物質(zhì)的質(zhì)量使其周圍的時空發(fā)生彎曲
著名理論物理學(xué)家約翰·惠勒曾用下面一句話總結(jié)廣義相對論：“物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動。”
廣義相對論真的是一個非常優(yōu)美的理論，概念簡單優(yōu)雅，只是其中的數(shù)學(xué)卻晦澀難懂，但這并不妨礙我們欣賞。它無比精妙，有很高的預(yù)言性且久經(jīng)考驗(yàn)，在這你可以寫點(diǎn)東西來預(yù)測一下宇宙將會處于什么樣的狀態(tài)并加以驗(yàn)證。據(jù)我所知，到目前為止，它通過了一系列的觀測和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
下面我們來到廣義相對論的核心，即著名的愛因斯坦引力場方程。
○ 愛因斯坦引力場方程
方程左邊的組合被稱為愛因斯坦張量，描述的是時空的幾何屬性（曲率），方程右邊則包含了圓周率π、引力常數(shù)G、光速c這些常數(shù)以及能量-動量張量T（μν），描述的是物質(zhì)和能量的分布，中間的等號便把時空幾何和物質(zhì)分布聯(lián)系在了一起，所以當(dāng)我們知道物質(zhì)與能量在時空中是如何分布的，就可以通過此方程計(jì)算出時空的幾何結(jié)構(gòu)，再進(jìn)一步去計(jì)算物質(zhì)在引力場中的運(yùn)動軌跡，而這里的引力場就是指彎曲時空。
愛因斯坦引力場從外表上看形式簡單，其實(shí)它是一個非常復(fù)雜的非線性偏微分方程組，很難有精確解，不過我們可以在一些假設(shè)的簡化下解出那么一個屬于自己的宇宙來，是不是很高大上。講真，愛因斯坦本人就是這么做的，當(dāng)愛神把廣義相對論應(yīng)用到整個宇宙的時候，他便遇到了讓他困惑的問題，這也就是開頭提到的那篇奠定現(xiàn)代理論宇宙學(xué)根基的論文。
○ 愛因斯坦1917年發(fā)表的這篇論文標(biāo)志著現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生
愛因斯坦當(dāng)時遇到的問題在于：他發(fā)現(xiàn)引力場方程在宇宙是均勻且各向同性的（宇宙學(xué)原理：宇宙從任意一點(diǎn)上看都是相同的以及從任何方向上看都是一樣的，這適用于大尺度范圍上的宇宙），這個假設(shè)下的解暗示宇宙是膨脹的，然而這個結(jié)果與當(dāng)時靜態(tài)宇宙這一主流觀點(diǎn)相悖，愛因斯坦本身也很喜歡宇宙靜止不變的觀點(diǎn)，因?yàn)槲锢韺W(xué)家認(rèn)為對稱是優(yōu)雅、簡單而美麗的。
○ 愛因斯坦在他的方程中引入了宇宙學(xué)常數(shù)λ
因此，為了防止宇宙膨脹而得到靜態(tài)宇宙解 ，愛因斯坦在他的方程左邊添加了一個宇宙學(xué)常數(shù)（用希臘字母 λ 表示），再乘上時空的度規(guī)張量g（μν）得到宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)，以平衡方程中的其他各項(xiàng)，靜止的宇宙才得以存在。這個操作我們稱之為微調(diào)，我們只要稍微調(diào)整一下常數(shù)的值，就可以得到不同的宇宙解。
但是加入了宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)之后，方程就沒有原來那么簡單了，這就失去了方程的簡潔美，換句話說，就是沒有了原本的精妙。愛因斯坦也為此很糾結(jié)，認(rèn)為引入宇宙學(xué)常數(shù)完全破壞了他方程的美感，雖然靜態(tài)的宇宙得以維持，但他一直覺得不引入 λ 會更好，而且愛因斯坦在他的論文中只是說明了 λ 在數(shù)學(xué)上的意義，并沒有詳細(xì)討論宇宙學(xué)常數(shù)現(xiàn)實(shí)的物理意義。
○ 添加了宇宙學(xué)常數(shù)的引力場方程
不過后面事情迎來了轉(zhuǎn)機(jī)，1929年，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃用加利福尼亞州威爾遜山上的胡克望遠(yuǎn)鏡觀測到了比我們所在的銀河系更為遙遠(yuǎn)的星系，在這之前，人們認(rèn)為宇宙就是我們的銀河系，因此哈勃的觀測重新定義了我們的宇宙，更重要的是，哈勃還發(fā)現(xiàn)這些遙遠(yuǎn)的星系都在互相遠(yuǎn)離我們，并提出了著名的哈勃定律（現(xiàn)已被國際天文學(xué)聯(lián)合會改名為哈勃-勒梅特定律），這意味著我們的宇宙不是靜止的，而是在膨脹！
哈勃的這個發(fā)現(xiàn)含義深遠(yuǎn)，對愛因斯坦來說則更加意義非凡，因?yàn)榕蛎浀挠钪嬉呀?jīng)不需要引入宇宙學(xué)常數(shù)來解釋了，這使愛神終于刪掉了這個 λ 項(xiàng)，讓廣義相對論回歸最初的簡潔。
1931年，高興的愛因斯坦專門來到威爾遜山天文臺和哈勃握手，感謝他讓自己的理論重歸美好。
○ 愛因斯坦在哈勃以及當(dāng)時的威爾遜山天文臺臺長亞當(dāng)斯的陪同下用胡克望遠(yuǎn)鏡觀測宇宙
如果愛因斯坦沒有加入這個λ項(xiàng)，那他可以早哈勃12年就發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹，另外與此同時期的理論物理學(xué)家喬治·勒梅特、亞歷山大·弗里德曼在廣義相對論框架下均得出宇宙膨脹的結(jié)論，并在數(shù)學(xué)上解釋了哈勃定律，之后勒梅特又獨(dú)自將宇宙膨脹進(jìn)行時間反演，這暗示著宇宙可能會有一個開端，而這將成為大爆炸理論模型的雛形。這些都是本可能屬于愛因斯坦的偉大成就，因此愛神說引入宇宙學(xué)常數(shù)是他職業(yè)生涯犯的最大錯誤。
不過，在之后的1998年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)我們的宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹，為了解釋宇宙加速膨脹現(xiàn)象，理論物理學(xué)家們提出了暗能量理論，認(rèn)為暗能量是（暗能量是指推動宇宙加速膨脹的所有物理因素，并不特指某一單一事物，事實(shí)上，目前任何事物都有可能）推動宇宙加速膨脹的幕后推手，現(xiàn)在大部分理論物理學(xué)家認(rèn)為愛因斯坦在1917年提出的宇宙學(xué)常數(shù)可能充當(dāng)暗能量的角色，只是和當(dāng)年的意義不同，但形式是完全一樣的，因此，宇宙學(xué)常數(shù)又意外的回歸了，但是這個想法目前仍然面臨著巨大問題。
今天，以廣義相對論為框架的大爆炸宇宙學(xué)說是目前最為廣泛接受的描述宇宙的理論，其中的ΛCDM模型則是目前的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，因?yàn)樗?dāng)前能夠提供宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)以及宇宙加速膨脹的超新星觀測、暗物質(zhì)等這些現(xiàn)象解釋的最簡單合理的宇宙模型。
○ 今天和宇宙早期的宇宙組成成分（數(shù)據(jù)來源于普朗克衛(wèi)星）
距離愛因斯坦發(fā)表的那篇現(xiàn)代宇宙學(xué)奠基之作，如今已過去了100多年，在這期間我們的宇宙觀念在不斷的刷新著，當(dāng)前我們正面臨暗物質(zhì)、暗能量等棘手的難題，我們?nèi)栽诤诎抵忻鳌?/p>
不過我相信時間終將會給予我們答案，我也相信未來的基礎(chǔ)物理突破一定會出現(xiàn)在天體物理領(lǐng)域。
來源：時空旋律
編輯：hxg
