我們研究宇宙學的人，

是這個世界上最長情的人，

我們一眼就是100億年。

黃慶國· 中國科學院理論物理研究所研究員

格致論道第109期 | 2024年1月27日 北京

大家好，我是來自中國科學院理論物理研究所的黃慶國，很高興來到格致論道。在演講之前，我想先跟大家分享一句話：“宇宙中最不可以理解的事情，就是宇宙是可以理解的。”這是愛因斯坦說的。

說到宇宙，我想可能大多數(shù)人的概念就是這樣絢麗精美的圖片。但是對研究理論物理的人來說，宇宙不是這樣的。

什么才是我們心目中的宇宙呢？宇宙是由“宇”和“宙”兩個字組成的。“四方上下曰宇”，它標記了一個粒子或物體在空間中的位置，分別有前后、左右和上下三個空間維度。宇，就是空間。“古往今來曰宙”，指的是一種時間的流逝。宙，也就是我們通常所說的時間。那么，宇宙就是全部的空間，加上全部的時間。這就是我們研究理論物理的人的宇宙觀。

理解宇宙的兩大基石

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一個粒子或物體的位置可以用空間的坐標來標記。它可以在空間中運動，位置不斷變化，也就是說空間的坐標可以不斷地變化。它可以處于不同的時刻，所以它的時間也在變化。不僅僅如此，承載粒子的時空也是可以被扭曲和變化的。

早在20世紀初，愛因斯坦提出了狹義相對論之后，很快地就認識到牛頓的萬有引力定律與狹義相對論之間存在內(nèi)在的、不可調(diào)和的矛盾。為了解決這個問題，愛因斯坦足足花了十年的時間，直到1915年，才提出了現(xiàn)在我們理解引力的廣義相對論理論。

這個理論把引力解釋為時空的一種彎曲。比如由于太陽的存在，周圍的空間發(fā)生彎曲，而地球在彎曲背景上面運動，就像是地球感受到了太陽的吸引一樣，產(chǎn)生引力的作用。這就是我們今天對引力的標準理解。

對我們來說，時間和空間通常是摸不著也看不見的，怎么知道它是彎曲的還是平直 的呢？愛因斯坦的廣義相對論認為，不僅有質(zhì)量的地球會感受到太陽的吸引，無質(zhì)量的光線也會感受到時空的彎曲。愛丁頓利用一次日全食，觀測到了遙遠恒星的星光在經(jīng)過太陽附近的時候發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而證明了愛因斯坦廣義相對論是正確的。

毫無疑問，愛因斯坦的廣義相對論開啟了我們對時空的全新理解和認識。一個粒子可以在時空中運動，時空本身也是可以扭曲、演化和運動的。

在1915年提出了廣義相對論之后，愛因斯坦認識到自己掌握了一個非常強大的工具，他希望用這樣強大的工具幫助我們?nèi)パ芯孔畲蟮囊粋€客體，就是宇宙。

怎么才能理解幾百億光年的宇宙呢？我們對這個整個世界乃至整個宇宙的認識是從地球開始的。在地球上，地貌是千變?nèi)f化的，從高聳的青藏高原到深邃的馬里亞納海溝，從南美的熱帶雨林到非洲的撒哈拉沙漠，都是完全不同的。

人類對地球的認識仍然是非常不夠的，那怎么可能去理解宇宙呢？地球只是太陽系里面很平常的一顆行星，太陽系只是銀河系邊緣的一個微不足道的恒星星系。星系 以上 還有很多星系聚集在一起，形成星系群、星系團等等這些結構，看上去是完全不一樣的。所以怎么可能去理解這么復雜浩瀚、這么大時間跨度的宇宙？

在物理學的發(fā)展過程當中，尤其在過去幾十年、上百年的時間里面，我們學到了很多很多的知識。毫無疑問，如果想要理解宇宙，就需要一種全新的智慧。我們通常會覺得一個復雜體系會很難被理解，但事實上，在一個足夠復雜的體系中，從無序中會呈現(xiàn)出一種新的有序。這個發(fā)現(xiàn)獲得了2021年的諾貝爾物理學獎。

盡管宇宙非常的宏大、非常的復雜，但是如果不去糾結宇宙的細節(jié)，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長遠一點的話，那么就認識到了宇宙盡管在細節(jié)上可能非常復雜，但是在宇觀尺度上可能很簡單。由此，愛因斯坦在1917年提出了理解宇宙的一個最重要的物理原理，被稱之為宇宙學原理。這個原理告訴我們，宇宙在不同地方看上去都是一樣的，也就是說宇宙是完全均勻和各向同性的。

可以說，現(xiàn)代宇宙學就發(fā)端于愛因斯坦所提出來的宇宙學原理。愛因斯坦的廣義相對論和宇宙學原理，構成了理解宇宙的最重要的兩塊基石。愛因斯坦被稱為現(xiàn)代宇宙學之父，這是當之無愧的。

愛因斯坦最大的錯誤？

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宇宙在空間上面既然非常地簡單，那么接下來一個關鍵的問題是：這樣一個均勻而且各向同性的宇宙，是否會隨著時間而發(fā)生演化？

愛因斯坦一開始認為宇宙是靜態(tài)的。現(xiàn)在為止，我也沒有查到資料來說明他為什么認為宇宙是靜態(tài)的。但是我懷疑是因為受限于當時的觀測手段，他很難看到銀河系之外的宇宙。而銀河系之內(nèi)恒星的演化與人的壽命相比，是很緩慢的。所以他錯誤地認為宇宙是不演化的。

要得到一個不演化的宇宙，在理論上來說也是非常困難的。為什么這樣呢？因為宇宙中充滿了物質(zhì)，不管是普通物質(zhì)還是暗物質(zhì)，它們之間都是相互吸引的。相互吸引的力量就會造成一個很明顯的后果：物質(zhì)很難停在原地不動。最終的狀態(tài)應該是大家相互吸引，一起吸引到一個地方去。

為了得到一個不演化的靜態(tài)宇宙，愛因斯坦人為地在他的方程里面添加了一個常數(shù)項，我們稱之為宇宙學常數(shù)。宇宙學常數(shù)會提供一個等效的排斥力量，來平衡不同的物質(zhì)之間的吸引力量，以此得到一個靜態(tài)的宇宙。

然而，哪怕是愛因斯坦這么偉大的科學家，他所說的話是否正確，仍然需要經(jīng)過我們觀測的檢驗。

接下來，有一位偉大的天文學家哈勃閃亮登場，哈勃空間望遠鏡就是為了紀念哈勃而用他的名字來命名的。哈勃觀測了銀河系之外的遙遠星系所發(fā)射出來的電磁波的光譜，他發(fā)現(xiàn)所有譜線的波長都變長了。這就好比我們站在這個地方，如果有一輛汽車從旁邊經(jīng)過并且離我們越來越遠，鳴笛的聲音會變得越來越低沉，這是因為它發(fā)射的聲波的波長被拉長了。所以聽到的聲音變得更低沉，就意味著它在離我們而去。

哈勃的這個發(fā)現(xiàn)告訴我們幾乎所有這些天體的光譜都發(fā)生了紅移現(xiàn)象，說明了所有的天體都在遠離我們而去。你可能會說，這些天體有可能不是待在那不動，它或許在做一種隨機的運動呢？但如果是一種隨機運動的話，我們所期待的結果應該是有一半的天體遠離我們，一半的天體離我們越來越近，而不應該是壓倒性地發(fā)現(xiàn)所有的天體都在遠離我們而去。所以很顯然，用天體的隨機運動是無法解釋哈勃所觀察到的現(xiàn)象的。

最終我們認識到，宇宙是在不斷膨脹的，所有天體都在遠離我們而去。當愛因斯坦得知哈勃的發(fā)現(xiàn)之后，他認為在方程式里面加入了宇宙學常數(shù)項是他一生中所犯的最大的錯誤！

有人念念不忘，聽到爆炸的回聲

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如果宇宙是在不斷膨脹的，逆著時間的方向去想，就像去壓縮一團氣體，可以想象會發(fā)生什么樣的事情。這團氣體的溫度會升高，壓強會變大。宇宙早期可能處于一種非常高溫和高壓的狀態(tài)，這就是宇宙大爆炸的來源。這個理論從一提出來就幾乎沒有人能夠接受和相信它。在我看來，說人是從魚進化而來的進化論已經(jīng)足夠讓人震驚了，而宇宙大爆炸是比進化論更不可思議的一個理論。

今天所看到的數(shù)百億光年大的一個宇宙，你告訴我說它是從一個比原子還小的區(qū)域里面膨脹而來的，這件事情怎么可能發(fā)生？但對于做科學研究的人來說，不管你是能接受還是不接受，重要的事情是要擺事實講道理，做出實驗或者觀測，來對這個理論進行證實或者證偽。才是真正的科學的態(tài)度。

你說宇宙來自于這么劇烈的一次爆炸，那就像是我點一個鞭炮，它爆炸的時候總得發(fā)射點光和熱。所以有人說，如果你把宇宙大爆炸的光和熱找到，我就相信你；如果你找不到，那么我就認為你的這個理論是錯的。

在20世紀60年代，彭齊亞斯和威爾遜這兩位貝爾實驗室的工程師利用了當時世界上最靈敏的一個射電望遠鏡，去研究自然界里的電磁信號。他們發(fā)現(xiàn)，不管天線朝向哪邊，都有一種莫名其妙的電磁噪聲在那里，并且無法消除。一開始他們就想，那個環(huán)境里面有很多鳥，鳥會在天線里面去拉屎，會不會是這些糞便對儀器造成了影響，發(fā)出滋啦滋啦的聲音。他們很小心地把鳥糞都清理干凈，發(fā)現(xiàn)滋啦滋啦的聲音還在。

他們完全無法理解這件事情，于是找到了普林斯頓大學的天體物理學家狄克。他告訴他們，其實這是找到了宇宙大爆炸的回聲，就是今天我們說的宇宙微波背景輻射。

宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)證明了宇宙大爆炸理論是正確的，從此絕大多數(shù)人都接受了這個理論，彭齊亞斯和威爾遜也因此分享了1978年的諾貝爾物理學獎。非常遺憾的是，就在前幾天（2024年1月），彭齊亞斯以90歲的高齡剛剛?cè)ナ馈Ｎ乙蚕Ｍ越裉斓膱蟾孀鳛閷@位科學先驅(qū)的紀念。宇宙微波背景輻射從各方向過來的溫度幾乎是完全一樣的，也再次證明了愛因斯坦所提出的宇宙學原理是正確的。

我們應該如何去理解宇宙的膨脹呢？我想在過去的很長時間里面，可能存在一種誤解，大家會認為是這些天體、星系自己在運動，在遠離我們而去。實際上不是的。

就好像這張圖上面有很多的星星，可以把它們理解為宇宙中的一些星系。它們沒有動，就好像我們把它粘在氣球上面一樣。為什么它們不能動，卻總在遠離對方？是因為我們把氣球吹大了。所以宇宙的膨脹是空間無處不在的膨脹，這才是宇宙膨脹的正確的理解方式。

我常常喜歡看這幅圖，宇宙自創(chuàng)生到現(xiàn)在總共經(jīng)歷了138億年，所以在某種意義上來說，也許我們研究宇宙學的人是這個世界上最長情的人，我們一眼100億年。這里面有一個很有趣的問題，是什么樣的力量在一開始的時候推了宇宙一下，使得宇宙的膨脹可以持續(xù)超過100億年而經(jīng)久不息？宇宙的第一推動到底是什么？從哪里來？

今天沒有時間再給大家回答這個問題，所以最后留一個懸念吧。

宇宙可能是從無中誕生而來的，就是無中生有，產(chǎn)生了今天的宇宙。

我今天的分享到這里，謝謝大家！

文章轉(zhuǎn)載自“格致論道講壇”公眾號