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纠正爱因斯坦错误,今年诺奖实至名归(zt)
送交者: 芨芨草 2019年10月09日21:50:22 于 [教育学术] 发送悄悄话

纠正爱因斯坦错误,今年诺奖实至名归(zt)

 

1984年,詹姆斯-皮布尔斯将ΛCDM标准模型框架下的宇宙学常数重新引入,让爱因斯坦的广义相对论平稳过渡,与大爆炸理论相吻合,也符合我们对微波背景辐射的观测结果,这是詹姆斯-皮布尔斯在物理宇宙学中最大的贡献。

 

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2019年诺贝尔物理学奖给了三位科学家,分别是詹姆斯-皮布尔斯、米歇尔-马约尔和迪迪尔-奎洛兹。本期笔者就带你解读下独占奖金一半的科学家詹姆斯-皮布尔斯,同时也深度分析一下詹姆斯-皮布尔斯为何能够获得诺奖,他的成就对物理宇宙学有哪些突出的贡献,以及物理宇宙学到底是个什么东西。这里简单介绍下背景,詹姆斯-皮布尔斯的主攻方向是物理宇宙学,他是加拿大裔美国天体物理学家,现在是普林斯顿大学爱因斯坦科学名誉教授,生于1935年,从1970年代开始,致力于研究物理宇宙学,已经84岁,50年如一日重现宇宙诞生,今年诺奖实至名归。

物理宇宙学到底是什么

物理宇宙学这个学科是个二级学科,最大的一个类别叫做天文学,天文学是研究天体和现象的自然学科,凡是地球之外的东西都归天文学。天文学的一个分支叫做宇宙学,专门研究宇宙起源、演化等问题,因此这个科学容易出现一些哲学家,从哲学的角度看宇宙,带入了一些宗教色彩,起源于哥白尼时代。宇宙学的一个分支叫做物理宇宙学,专门从物理学理论角度解释宇宙起源、结构、动力学等问题,爱因斯坦提出的广义相对论是物理宇宙学的开端。

由此看出,物理宇宙学覆盖的范围很大,从宇宙起源到加速膨胀,演化、暗物质、标准模型等等,都是物理宇宙学的研究范围。詹姆斯-皮布尔斯就是这个领域的一员,因此论詹姆斯-皮布尔斯生涯的研究,也是非常广泛的,因为物理宇宙学本身就覆盖了很多的领域。具体来说,物理宇宙学主要侧重宇宙诞生之后的3040万年时期,大爆炸理论及其标准模型、微波背景辐射、大尺度结构及其演化、暗物质暗能量的问题、引力波等,都是物理宇宙学的研究方向。

詹姆斯-皮布尔斯的贡献

在爱因斯坦提出广义相对论之后,科学家就在这个基础之上进行补充,1920年代,弗里德曼发现了爱因斯坦的宇宙学解法,描述了弗里德曼宇宙,暗示我们的宇宙可以膨胀和收缩,其几何形状可以是开放的,也可能是封闭的。弗里德曼是个俄罗斯宇宙学家,也是最早深挖爱因斯坦广义相对论的人,在该理论中建立了数学模型。

弗里德曼的方程就是对宇宙加速膨胀的数学解释,那么为什么宇宙会进入加速膨胀呢?通过观测,科学家发现我们的宇宙中有暗物质和暗能量,暗物质占宇宙质能的26%,暗能量占69%,剩下5%是我们可以看到的物质,比如星系、恒星、行星等等可见天体。显然我们的宇宙只展示出5%给人类看,剩余的95%被隐藏起来了。暗能量的存在会迫使星系加速远离,这是对爱因斯坦静态宇宙的致命一击。

在爱因斯坦的广义相对论方程中,有一个宇宙学常数λ,这个参数可让爱因斯坦的宇宙变成静态,符合爱因斯坦的哲学观,因为爱因斯坦认为宇宙是静态的。但是哈勃在发现红移之后,直接枪毙了爱因斯坦的静态宇宙,爱因斯坦也撤回了宇宙学常数,认为宇宙是动态的。

但随着我们对微波背景辐射、宇宙加速膨胀的深入研究,霍金、罗杰-彭罗斯等人发现,宇宙学常数不可能为零,因此爱因斯坦当初加入宇宙学常数是对的,因为宇宙中还有暗能量这个因素在作祟。而基于暗能量表述的宇宙学常数的创始者之一正是詹姆斯-皮布尔斯,这就是ΛCDM标准模型。这个英文单词有两个意思,第一个Λ,代表宇宙学常数,约为0.74,代表宇宙中74%的能量是暗能量,CDM是冷暗物质缩写。1984年,詹姆斯-皮布尔斯将ΛCDM标准模型框架下的宇宙学常数重新引入,让爱因斯坦的广义相对论平稳过渡,与大爆炸理论相吻合,也符合我们对微波背景辐射的观测结果,这是詹姆斯-皮布尔斯在物理宇宙学中最大的贡献。

预测下一个诺奖方向

根据物理宇宙学的描述,我们不难看出这个学科仍然会出现诺奖得主,ΛCDM标准模型所描述的宇宙还有暗能量、暗物质的介入,这两个谜团仍然人类的知识盲区。可以认为谁要是方向了暗能量、暗物质粒子之谜,获得诺奖是妥妥的,100%板上钉钉的事。综上,物理宇宙学从爱因斯坦广义相对论开始,终极目标就是解释宇宙的诞生、演化以及未来的命运,在这条路上的任何一个发现都有实力竞争诺贝尔奖。

革命尚未成功,同志仍需努力。

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