事实如此浪漫

大爆炸科学的纠结历史

概述从大爆炸到现在的宇宙演变的关键阶段。 欧洲核子研究中心/ Flickr

F或者一个像大爆炸那样成功的宇宙理论,当你意识到它的倡导者们跌跌撞撞地经历了多少复杂的过程时,你可能会感到惊讶。让我们从亚历山大·弗里德曼这个不幸的人物开始,他是杰出的俄罗斯数学家和气象学家,他是第一个利用了一些非凡的东西爱因斯坦的“场方程”,由10个方程组成的集合,将引力重新想象成弯曲时空的结果。

1917年,爱因斯坦提出,人们可以利用场方程推导出一个宇宙模型,这与传统的牛顿理论非常相似——一个永远静止的,或“稳定”的宇宙。爱因斯坦模型的不同之处在于,它是有限的,而牛顿模型是无限的。

爱因斯坦说,像弗里德曼的宇宙只能是“好奇之物”,从来都不是对现实的真实描述。

弗里德曼认为,这对爱因斯坦来说太保守了。相反,他认为爱因斯坦的模型只是众多可能宇宙中的一个例子。所以,在1922年,发表在欧洲领先的科学杂志上Zeitschrift毛皮物理学,Friedmann衍生了三种宇宙学模型,这些模型比爱因斯坦更具动态:一个是积极曲率的有限宇宙 - 类似奇异的球体 - 从奇点扩张,然后最终停止膨胀并倒回一点;第二个:一个负曲率的开放无限宇宙,可以像无限尺寸的鞍座一样描绘;最后:零曲率的宇宙 - 一个平面平面 - 以较慢的速度扩展,速度较慢,沿着无限远。

哪一个是我们的?:弗里德曼的三种动态宇宙模型。 美国国家航空航天局/开始

弗里德曼1922年的论文就这样夭折了。但一年后,爱因斯坦读到这篇论文时,感到非常不安,他匆忙写了一篇反驳文章,声称弗里德曼犯了一个数学错误。但正如弗里德曼在自己的回答中明确指出的那样,是爱因斯坦做出了错误的判断。爱因斯坦收回了他的说法,但仍然坚持他的观点,即像弗里德曼的宇宙只能是数学结构或“好奇”,如他所说,从来不是对现实的真实描述。

尽管弗里德曼的聪明才智,但他在大爆炸故事中扮演的角色就此结束。1925年,当他成为列宁格勒地球物理观测中心主任后,这个年仅37岁的人在完成创纪录的气球飞行后不久死于伤寒。但事实证明,他的想法是不可或缺的。他不仅提出了“膨胀的宇宙”这一说法,他也配得上认为,被称为“大爆炸之父”,因为他是第一个正确适用于宇宙学的一般相对性,宇宙的发展。

W.知道它,在同年,比利时牧师和物理学家乔治·莱梅尔·莱姆开始追随弗里德曼的脚步 - 并且稍后会看到弗里德曼有权利。但Lemaître没有建模大爆炸。还没有。Lemaître确实基本上建立了爱因斯坦永恒静态模型之间的一座桥梁,也是可能发展的桥梁。他在原点举办了一个静态的爱因斯坦宇宙,然后随着时间的推移膨胀和变平。

Lemaître收集了一些关于遥远星云的天文观测资料,之后科学家们才意识到它们本身就是独立的星系。通过这些观测,Lemaître非常粗略地绘制了一个膨胀轨迹,表明一个特定的星系外星云越远,它后退到距离空间的速度就越快。他写了一篇论文,认为这可以作为宇宙膨胀的证据。

这是激进的。但是,由于仍然未知的原因,他几乎保证了没有人会通过在法语中的一个模糊的比利时期刊上发布。两年后,美国天文学家Edwin Hubble的标题展示了一个甚至更大的星系,表现出衰退的星系,他们与我们的距离与我们飞往我们的速度成正比。虽然哈勃本人对扩张宇宙的概念非常保守他知道支持这一观点的宇宙学家会欢迎他的发现。

到现在,就连爱因斯坦也无法对它们不屑一顾。1930年初,他和其他物理学家在英国皇家学会会面,该学会由亚瑟·爱丁顿爵士管理,他们试图就宇宙学模型与哈勃的新测量结果一致达成一致。几个月后,当Lemaître听到这个消息时,他对他在剑桥的导师爱丁顿(Eddington)不满。爱丁顿很懊恼自己把这篇文章忘得一干二净,赶紧让人把它翻译成英文。终于有了一个大家都认同的膨胀模型,尤其是爱因斯坦:Lemaître的论文将爱因斯坦的模型作为宇宙的初始条件。

但是Lemaître并不满意。到1931年,他开始相信爱因斯坦的“初始条件”状态不可能是稳定的。回溯到弗里德曼,他提出了他的原始原子假说,本质上就是大爆炸1.0,即宇宙最初一定是从密度极高的内核开始并向外膨胀的。“宇宙蛋在创世的那一刻爆炸了,”牧师这样形容它。

这对爱因斯坦、爱丁顿和他们的其他同事来说太过了。他们不喜欢具有时间起源的宇宙的形而上学含义——对某些人来说,看到隐藏在宇宙背后的上帝太诱人了。

由于纳粹主义极大地改变了世界各地科学家的工作重点,进展在这一点上停滞不前。尽管Lemaître不知道,他自己在这个传奇中的角色,就像弗里德曼的角色一样,已经结束了。对于物理学家来说,战争的努力和对量子力学日益增长的兴趣使得广义相对论和宇宙学的研究退居次要地位。Lemaître被限制在德国占领下的比利时(勉强从盟军轰炸中幸存下来),他将注意力转向了计算机和天体力学问题。

但在此期间,大爆炸的想法陷入乔治·赌博,五颜六色的乌克兰物理学家在20世纪30年代逃离了苏联并来到美国。由于他无法在曼哈顿项目上工作 - 没有安全的清除游戏游戏,他与另一个拼图一起公共汽车:大爆炸可能会解释所有宇宙的较重原子元素的演变,如熨斗和金。

Gamow首先在20世纪20年代初在Friedmann的脚下进行了相对论。曾经在美国,他回到了这个话题,并通过了他自己的学生 - 欧洲难民拉尔夫A. Alpher和Robert Herman。他把这两个早期的物理学家们在宇宙的模型上工作,类似于Lemaître's - 除了从冷的原始原子开始,他们假设了一个热的超密的状态。

伽莫夫、阿尔弗和赫尔曼认为,只有这样,核合成才能将氢和氦“煮”成铁。他们指出,这种热大爆炸模型的一个直接结果是,来自原始火球的辐射——现在称为宇宙微波背景辐射——仍然会渗透到宇宙中,尽管波长非常衰减。阿尔法计算出这个背景辐射的温度约为5开氏度。

但是,与1948年出版的弗里德曼和赫尔曼的论文再次出现弗里德曼和赫尔曼的纸张被忽略了。也许他们未能禁止同龄人寻找宇宙背景辐射与它有关。如果事情不同,Gamow可能没有留下宇宙学,在激励DNA发现后,在20世纪50年代留下遗传学。也许Alpher和Herman将分别离开学术界分别进入工业通用电动机和通用电机。

历史展示了科学认可的路线如何与他人的运气不好乱丢。

直到1965年,理论学家和实验学家才终于找到了突破口。普林斯顿大学的Robert H. Dicke和P.J.E. Peebles不知道伽莫夫和他的学生的工作,他们在早期宇宙火球状态的膨胀的基础上,计算出了背景辐射的细节。像阿尔弗和赫尔曼一样,迪克和皮伯斯预测,背景噪音的测量值将在3到5开尔文之间。

他们建造了一个无线电探测器来衡量它,但是,运气将拥有它,发现其他人首先遇到了背景噪音。两个物理学家为贝尔实验室工作,Arno Penzias和Robert Wilson,一直在为新泽西州的辐射计做好辐射计,并在他们这样做之前偶然发现了信号。Penzias和Wilson认为他们检测到的“噪音”只是一些基于地球的干扰浑浊的干扰,浑浊的目标:来自遥远星星之间的深空的无线电信号。

当他们报告这种“噪音”(测量值仅略高于3摄氏度)时,迪克和皮尔普斯立即意识到它的重要性,并与他们取得了联系。这两组人分别发表了他们的研究结果。宇宙微波背景辐射的发现被认为是宇宙大爆炸的最有力证据,就辐射而言,这是早期宇宙爆炸的回声。

标志性的发现将赢得其中一个诺贝尔奖 - 你能猜到哪一个?1978年,该年度的物理裁决去了... Penzias和Wilson,而不是Dicke和Peeples,也不是早期的理论家,他们的努力工作为发现的基础。迪克和牛肉觉得被遗漏了。但阿尔伯和赫尔曼特别痛苦;他们觉得让学术界留给工业已经不公平地反对他们。lemaître和gamow都长期死亡。

W.e只能推测例如,如果亚历山大·弗里德曼没有在1925年40岁之前去世,该理论的发展将会有多么不同。他会和他当时的学生乔治·伽莫夫(George Gamow)在20世纪30年代与Lemaître合作,更早地开发出一个热大爆炸模型吗?他们会在多年前就预测到宇宙微波背景辐射吗?

可以肯定的是,即使最伟大的科学理论受到不可预知的障碍的困扰,总有一天会有新的人来继承这支火炬。太糟糕了,往往是那些扛着它冲过终点线的人获得了所有的荣誉。但历史表明,彭齐亚斯和威尔逊获得认可的过程中,是如何充满了其他人的厄运的。

约翰·法雷尔是本书的作者没有昨天的那一天:Lemaiître,爱因斯坦和现代宇宙学的诞生。

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看:普林斯顿物理学家保罗J. Steinhardt关于Higgs Boson与宇宙学有关的情况。

铅像是由通过Ars Electronica/Flickr

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