仰望星辰—极简天体物理学/引力波和大爆炸理论

引力波、宇宙常数和大爆炸理论

在今天，宇宙大爆炸理论已经被物理学家广为接受。

这个观念其实非常颠覆。所有的证据都表明，宇宙不是永恒不变的，也就是宇宙有一个开始，还有一个终结。并不是民科所说的“空间上无边无际，时间上无始无终”

1、空间的弯曲—引力波

牛顿的万有引力定律是一种相当精确的理论，但它有一个本质的缺陷，牛顿引力是一种“超距作用”。有一个质量很大的物体，引力马上就产生了，可这个力是怎么传播的呢，光速都有传输速度，引力可以瞬间到达吗？牛顿自己也发现了这个问题，但是他也没法解释。

直到1916年，爱因斯坦提出广义相对论。他说，你可以把引力当成是空间的弯曲。一句话概括就是，“物质告诉空间怎么弯曲，空间告诉物质怎么运动。”大质量的物体改变了空间的弯曲程度，其他物体根据这个弯曲空间运动，引力可以通过空间传递。

我们可以用个比喻，假设空间是一张平整的床单，你投入一个质量很大的球，床单就会塌陷弯曲，那么在这个塌陷的区域小质量的物体就会沿着弯曲空间的方向向大质量物体滑落。这个就是引力作用。

黑洞虽然光线都不能逃逸，但可以被观测到。就是因为它超大质量导致的周围空间弯曲特性。

引力是个可传递的东西，广义相对论马上就预言了“引力波”的存在，然后在2016年，也就是四年前，物理学家果然观测到了引力波。

2、维持静态宇宙—爱因斯坦的宇宙常数

爱因斯坦广义相对论的引力场方程，有一个希腊字母，是一个常数，这个常数本来没有。

最初，爱因斯坦用没有这个常数的方程对宇宙求解，发现这样得出的宇宙会膨胀。他觉得这肯定不对，宇宙应该是静态的，这样才加入了这个常数。在数学上，有没有这一项，引力的性质都一样。常数仅仅是为了让宇宙不膨胀而存在，所以被称为宇宙常数。

但是引入这个常数后，它的物理意义是什么？代表一种什么力量，又怎么在宇宙中实现的呢？没人知道，它仅仅是为了维持一个静态宇宙而存在。

更麻烦的是，一个苏联数学家做了计算，说加入这个常数，可以得到一个静态宇宙的解。但是这个宇宙是一个不稳定平衡，有一点极微小的扰动，就会不成立。那么这样的静态宇宙有什么意义呢？

3、大爆炸理论的起源—哈勃的惊人发现：宇宙在膨胀

到了1929年，美国天文学家哈勃迎来一个改变世界观的时刻。他对银河系外的星系做了一个系统性的观测。他发现，星系发出的光谱，有一个向红端的移动，就是所谓的“红移”，其实就是频率都变小了。

在波动现象中，物体向你靠近，频率会增加，远离频率会变小。比如，一列火车鸣笛向你开过来，离你越近，声音越尖锐，离你而去，距离越远，声音越低沉。这是声波的频率距离你由高到低的过程。

星系光谱的红移只能说明：那些远方的星系，都在离我们而去。通过测量红移的程度，哈勃还发现，这些星系远离我们的速度和它们到我们的距离成正比。

也就是说，如果你在大广场上，所有人都在远离你而去，离你越远的人跑得越快。

哈勃发现的，就是宇宙在膨胀。

我们可以这样来比喻：假如我们是气球表面上的一个点，气球在吹大膨胀的过程中，相对于气球上的任意一点，都在离我们而去，而且距离越远，远离得越快。

既然宇宙正在膨胀，那么我们马上就可以推断，以前的宇宙没有这么大。如果逆推回去，宇宙就应该有一个开始的起点。这就是大爆炸理论的起源。