欢迎订阅我的频道，bit.ly/3tnM6wI ，佛系上新😊
黄庆国：爱因斯坦自认为犯的“最大错误”，竟是这个宇宙学常数项…
爱因斯坦的广义相对论和宇宙学原理，构成了我们理解宇宙的重要基石。而他认为自己一生中所犯的最大错误，竟然是在这个方程式中加入了宇宙学常数项…
演讲者：黄庆国 中国科学院理论物理研究所研究员
演讲时间：2024年1月27日 格致论道：2023格致科学盛典
黄庆国·宇宙大爆炸
七十年代末出生于广西的边陲小城。在那个资讯和通信还非常不发达的年代，偶然接触到了一些与广义相对论有关的科幻读物，从此一发不可收拾地走上了研究理论物理之路。
目前为中国科学院理论物理研究所研究员，中国科学院大学岗位教授以及国科大杭州高等研究院双聘教授，担任《中国科学：物理学 力学 天文学》《理论物理通讯》《中国物理C》以及《现代物理知识》等期刊的编委。主要从事引力和宇宙的研究，在包括《物理评论快报》在内的重要学术期刊发表140余篇论文。
我们研究宇宙学的人，是这个世界上最长情的人，我们一眼就是100亿年。
大家好，我是来自中国科学院理论物理研究所的黄庆国，很高兴来到格致论道。在演讲之前，我想先跟大家分享一句话：“宇宙中最不可以理解的事情，就是宇宙是可以理解的。”这是爱因斯坦说的。
说到宇宙，我想可能大多数人的概念就是这样绚丽精美的图片。但是对研究理论物理的人来说，宇宙不是这样的。
什么才是我们心目中的宇宙呢？宇宙是由“宇”和“宙”两个字组成的。“四方上下曰宇”，它标记了一个粒子或物体在空间中的位置，分别有前后、左右和上下三个空间维度。宇，就是空间。“古往今来曰宙”，指的是一种时间的流逝。宙，也就是我们通常所说的时间。那么，宇宙就是全部的空间，加上全部的时间。这就是我们研究理论物理的人的宇宙观。
理解宇宙的两大基石
一个粒子或物体的位置可以用空间的坐标来标记。它可以在空间中运动，位置不断变化，也就是说空间的坐标可以不断地变化。它可以处于不同的时刻，所以它的时间也在变化。不仅仅如此，承载粒子的时空也是可以被扭曲和变化的。
早在20世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论之后，很快地就认识到牛顿的万有引力定律与狭义相对论之间存在内在的、不可调和的矛盾。为了解决这个问题，爱因斯坦足足花了十年的时间，直到1915年，才提出了现在我们理解引力的广义相对论理论。
这个理论把引力解释为时空的一种弯曲。比如由于太阳的存在，周围的空间发生弯曲，而地球在弯曲背景上面运动，就像是地球感受到了太阳的吸引一样，产生引力的作用。这就是我们今天对引力的标准理解。
对我们来说，时间和空间通常是摸不着也看不见的，怎么知道它是弯曲的还是平直的呢？爱因斯坦的广义相对论认为，不仅有质量的地球会感受到太阳的吸引，无质量的光线也会感受到时空的弯曲。爱丁顿利用一次日全食，观测到了遥远恒星的星光在经过太阳附近的时候发生偏转，从而证明了爱因斯坦广义相对论是正确的。
毫无疑问，爱因斯坦的广义相对论开启了我们对时空的全新理解和认识。一个粒子可以在时空中运动，时空本身也是可以扭曲、演化和运动的。
在1915年提出了广义相对论之后，爱因斯坦认识到自己掌握了一个非常强大的工具，他希望用这样强大的工具帮助我们去研究最大的一个客体，就是宇宙。
怎么才能理解几百亿光年的宇宙呢？我们对这个整个世界乃至整个宇宙的认识是从地球开始的。在地球上，地貌是千变万化的，从高耸的青藏高原到深邃的马里亚纳海沟，从南美的热带雨林到非洲的撒哈拉沙漠，都是完全不同的。
人类对地球的认识仍然是非常不够的，那怎么可能去理解宇宙呢？地球只是太阳系里面很平常的一颗行星，太阳系只是银河系边缘的一个微不足道的恒星星系 。星系以上还有很多星系聚集在一起，形成星系群、星系团等等这些结构，看上去是完全不一样的。所以怎么可能去理解这么复杂浩瀚、这么大时间跨度的宇宙？
在物理学的发展过程当中，尤其在过去几十年、上百年的时间里面，我们学到了很多很多的知识。毫无疑问，如果想要理解宇宙，就需要一种全新的智慧。我们通常会觉得一个复杂体系会很难被理解，但事实上，在一个足够复杂的体系中，从无序中会呈现出一种新的有序。这个发现获得了2021年的诺贝尔物理学奖。
尽管宇宙非常的宏大、非常的复杂，但是如果不去纠结宇宙的细节，站在宇宙的任何地方看出去，都有很多的星系，而且在不同地方的看都差不多。
所以如果眼光放得更长远一点的话，那么就认识到了宇宙尽管在细节上可能非常复杂，但是在宇观尺度上可能很简单。由此，爱因斯坦在1917年提出了理解宇宙的一个最重要的物理原理，被称之为宇宙学原理。这个原理告诉我们，宇宙在不同地方看上去都是一样的，也就是说宇宙是完全均匀和各向同性的。
可以说，现代宇宙学就发端于爱因斯坦所提出来的宇宙学原理。爱因斯坦的广义相对论和宇宙学原理，构成了理解宇宙的最重要的两块基石。爱因斯坦被称为现代宇宙学之父，这是当之无愧的。
爱因斯坦最大的错误？
宇宙在空间上面既然非常地简单，那么接下来一个关键的问题是：这样一个均匀而且各向同性的宇宙，是否会随着时间而发生演化？
爱因斯坦一开始认为宇宙是静态的。现在为止，我也没有查到资料来说明他为什么认为宇宙是静态的。但是我怀疑是因为受限于当时的观测手段，他很难看到银河系之外的宇宙。而银河系之内恒星的演化与人的寿命相比，是很缓慢的。所以他错误地认为宇宙是不演化的。
要得到一个不演化的宇宙，在理论上来说也是非常困难的。为什么这样呢？因为宇宙中充满了物质，不管是普通物质还是暗物质，它们之间都是相互吸引的。相互吸引的力量就会造成一个很明显的后果：物质很难停在原地不动。最终的状态应该是大家相互吸引，一起吸引到一个地方去。
为了得到一个不演化的静态宇宙，爱因斯坦人为地在他的方程里面添加了一个常数项，我们称之为宇宙学常数。宇宙学常数会提供一个等效的排斥力量，来平衡不同的物质之间的吸引力量，以此得到一个静态的宇宙。
然而，哪怕是爱因斯坦这么伟大的科学家，他所说的话是否正确，仍然需要经过我们观测的检验。
接下来，有一位伟大的天文学家哈勃闪亮登场，哈勃空间望远镜就是为了纪念哈勃而用他的名字来命名的。哈勃观测了银河系之外的遥远星系所发射出来的电磁波的光谱，他发现所有谱线的波长都变长了。这就好比我们站在这个地方，如果有一辆汽车从旁边经过并且离我们越来越远，鸣笛的声音会变得越来越低沉，这是因为它发射的声波的波长被拉长了。所以听到的声音变得更低沉，就意味着它在离我们而去。
哈勃的这个发现告诉我们几乎所有这些天体的光谱都发生了红移现象，说明了所有的天体都在远离我们而去。你可能会说，这些天体有可能不是待在那不动，它或许在做一种随机的运动呢？但如果是一种随机运动的话，我们所期待的结果应该是有一半的天体远离我们，一半的天体离我们越来越近，而不应该是压倒性地发现所有的天体都在远离我们而去。所以很显然，用天体的随机运动是无法解释哈勃所观察到的现象的。
最终我们认识到，宇宙是在不断膨胀的，所有天体都在远离我们而去。当爱因斯坦得知哈勃的发现之后
👇🏽歡迎嘗試我頻道裡的其他影片👇🏽
通信： • 通信
人工智能： • AI·人工智能
航天： • 航天
宇宙： • 宇宙
教育： • 教育
少年中国： • 少年中国
植物： • 中国科学院植物研究所
生物： • 生物
心理： • 心理
医学： • 医学
生态： • 医学
环境： • 环境
药学： • 药学
数学： • 数学
物理： • 物理
化学： • 化学
艺术： • 艺术
摄影： • 摄影
传媒： • 传媒
考古： • 考古
恐龙： • 恐龙
地震： • 中国科学院地质与地球物理研究所
诺贝尔奖： • 诺贝尔奖
工程： • 工程
音乐： • 音乐
建筑： • 建筑
能源： • 能源
#中科院
#格致论道
#科学
#科普
#知识
#知识科普
#格致論道
#科學
#知識
#知識科普
#教育
#self