问题,宇宙学常数r(即一种均匀充满空间的常能量密度)怎么会是个常数,宇宙在膨胀,体积变大密度会变小。

中最有影响的一种学说它的主偠观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里宇宙体系在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地

如同一次规模巨大的爆炸。

“大爆炸宇宙论”(The Big Bang Theory)认为:宇宙是由一个致密炽热的

于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的1927年,

(Georges Lema?tre)首次提出了宇宙大爆炸假说1929姩,美国天文学家

根据假说提出星系的红移量与星系间的距离成正比的

并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。

中最有影响的一种学說它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里宇宙体系在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地

如同一次规模巨大的爆炸。该理论的创始人之一是伽莫夫1946年美国物理学家伽莫夫正式提出

,认为宇宙由大约140亿年前发生的一次大爆炸形成上世纪末,对

的观测显示宇宙正在加速膨胀,因为宇宙可能大部分由暗能量组成

等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀导致温度囷密度很快下降。随着温度降低、冷却逐步形成原子、

、分子,并复合成为通常的气体气体逐渐凝聚成

,星云进一步形成各种各样的恒星和星系最终形成我们如今所看到的宇宙。

“宇宙并非永恒存在而是从虚无创生”的思想在

中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家缯经考虑过

的可能性但是,所有西方主要的宗教一直坚持

宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的

大爆炸理论的建立基于了两个基本假設:

。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的

这些观点起初是作为先验的公理被引入的,现今已有相关研究工作试图对它們进行验证例如对第一个假设而言,已有实验证实在宇宙诞生以来的绝大多数时间内

的相对误差值不会超过10^(-5)。此外通过对太阳系和

的观测,广义相对论已经得到了非常精确的实验验证;而在更广阔的宇宙学尺度上大爆炸理论在多个方面经验性取得的成功也是对廣义相对论的有力支持。

假设从地球上看大尺度宇宙是各向同性的

原理可以从一个更简单的

中导出。哥白尼原理是指不存在一个受偏好嘚(或者说特别的)观测者或观测位置根据对微波背景辐射的观测,宇宙学原理已经被证实在10^(-5)的量级上

而宇宙在大尺度上观测到的均勻性则在10%的量级。

许多人不知道的是与大爆炸理论已经成为常识的今天相比,在该理论刚刚提出之后的很长一段时间世界科学界对其嘚态度是“嗤之以鼻”的。

这种奇怪的现象是因为当时的科学界受

推翻“上帝创造论”的哲学思潮影响,盲目地反对传统理论不承认洳《

》所言,宇宙是有一个起点的这一时期的西方科学界普遍坚持宇宙和物质是恒定不变、无始无终的。因此对于所有涉及说宇宙和万粅都“有一个起点”的理论一概不予承认包括像爱因斯坦这样的大科学家也受其影响。爱因斯坦在总结引力场方程发现这个Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv的公式将推导出宇宙其实是一个有着从未停止的物质变化的动态宇宙,于是在该公式中又强加了一个“

”以维持静态宇宙的计算结果。也僦是说最初的场方程其实是这样的:∧gμv+Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv,其中常数“∧”为宇宙常数

总结出了一个具有里程碑意义的发现,即:不管你往哪個方向看远处的星系正急速地远离我们而去,而近处的星系正在向我们靠近换言之,宇宙正在不断膨胀这意味着,在早先星体相互の间更加靠近事实上,似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻它们刚好在同一地方,所以

的发现暗示存在一个叫做

的时刻当时宇宙处於一个密度无限的

听闻此事的爱因斯坦很快来到哈勃工作的威尔逊天文台,在哈勃的带领下亲自进行了

的观测访问结束后,爱因斯坦公開承认了自己主观意识影响科学结论的错误并去掉了场方程中的宇宙常数,于是就有了我们今天所熟知的爱因斯坦场方程(Einstein Field Equation)

的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,而是一种在各处同时发生从┅开始就充满整个空间的那种爆炸,爆炸中每一个粒子都离开其它每一个

飞奔事实上应该理解为

的急剧膨胀。"整个空间"可以指的是整个無限的宇宙或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。

根据大爆炸宇宙论早期的宇宙是一大片由

构成的均匀气體,温度极高密度极大,且以很大的速率膨胀着这些气体在

下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙

大爆炸开始时:约150亿年前体積无限小,密度无限大温度无限高,时空曲率无限大的点称为

诞生于某种超时空——部分

涨落背景出现,这个阶段称为

在此之前,宇宙的密度可能超过每立方厘米10

倍物理学上所有的力都是一种。(

)在这个阶段宇宙已经冷却到

可以分离出来,开始独立存在存在傳递

。宇宙中的其他力(强、弱相互作用和

)引力已分离,夸克、

形成此阶段宇宙已经冷却到

及电磁相互作用仍然统一于所谓

秒,在此瞬间宇宙经历了100次加倍(2

,得到的尺度是先前尺度的10

倍(暴涨的是宇宙本身即空间与时间本身,并不违反

藩篱)暴涨前宇宙还在

嘚相互联系范围内,可以平滑掉所有粗糙的点暴涨停止时,今天所探测的东西已经在各自小区域稳定下来而这被称为

稳定下来。宇宙變得足够冷电弱相互作用分解为电磁相互作用和弱相互作用。

家族(电子、中微子以及相应的反粒子)需要等宇宙继续冷却10

秒才能从与其他粒子的平衡相中分离出来其中中微子一旦从物质中

,将自由穿越空间原则上可以探测到这些原初中微子。

大爆炸后0.01秒:约1000亿度

為主,质子中子仅占10亿分之一热平衡态,体系急剧膨胀温度和密度不断下降。

大爆炸后0.1秒后:约300亿度中子质子比从1.0下降到0.61。

大爆炸後1秒后:约100亿度中微子向外逃逸,正负电子湮没反应出现

大爆炸后10秒后:约30亿度,核时期

(化学元素)形成。当宇宙冷却到10

开尔文鉯下(约100秒后)粒子转变不可能发生了。核合成计算指出

平宇宙所需物质的2%~5%,强烈暗示了其他物质能量的形式(非重子

物质期。在宇宙早期历史中光主宰着各能量形式。随着

的波长被拉长相应光子能量也跟着减小。辐射

与尺度(R)和体积(4πR

/3)的乘积成反比例减尛即安1/R

减小,而物质的能量密度只是简单地与体积成1/R

减小一万年后,物质密度追上辐射密度且超越它从那时起,宇宙和它的动力学開始为物质所主导

大爆炸后30万年后:约3000度,化学结合作用使中性

形成宇宙主要成分为气态物质,并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块直至

量子真空在暴涨期达到全盛,之后便以暗能量的形式弥漫于全宇宙且随着物质和辐射密度迅速减小,暗能量越来越奣显暗能量可能占据宇宙总能量密度的2/3

大爆炸理论的科学性令人不得不信服。最直接的证据来自对遥远星系光线特征的研究20年代,天攵学家

(Vesto Slipher)所作的观测他注意到,远星系的颜色比近星系的要稍红些哈勃仔细测量了这种红化,并作了一张图他发现,这种红化(

)是系统性的星系离我们越远,它就显得越红

的颜色与它的波长有关。在

光谱中蓝光位于短波端红光位于

端。遥远星系的红化意味著它们的

波长已稍微变长了在仔细测定许多星系光谱中

的位置后,哈勃证实了这个效应他认为,光波变长是由于宇宙正在

的结果哈葧的这个重大发现就奠定了现代

膨胀中宇宙的性质使许多人困惑不解。从地球的角度来看好像遥远的星系都正飞快地远离我们而去。但昰这并不意味着地球就是宇宙的中心。平均而言宇宙不同地方的膨胀图像都是相同的。可以说每一点都是中心又没有一点是中心(解释得最好的是一幅画:三维空间的切割)。我们最好把它想象成星系间的

在伸长或膨胀而不是星系在空间中运动。这一点与我们日常苼活中见到的源于一点的爆炸不同

空间可以伸长这一事实看上去似乎离奇古怪,不过这却是1915年

发表以来科学家们早就熟知的概念

认为,引力实际上是空间(严格地说是

)弯曲或变形的一种表现从某种意义上来说空间是有弹性的,可以按某种方式弯曲或伸长具体情况取决于物质的排列。这个思想已为观测所充分证实

膨胀空间的基本概念可通过一项简单的模拟来加以理解。想象在一条松紧带上缝有一排纽扣假定从松紧带的两端把它拉长,结果所有的纽扣都彼此远离不论我们选择从哪个纽扣来看,它邻侧的纽扣似乎都在远离而且這种膨胀是处处相同的,不存在特殊的中心当然,我们在画这排纽扣时它有一个中心纽扣,但这与系统的膨胀方式毫不相干只要把這条带纽扣的松紧带无限加长,或环成一个圆圈这个中心便不再存在了。

从任意一个纽扣来看离它最近的[url纽扣以某种速度退行,再下┅个纽扣则以两倍数度退行依此类推。在你看来纽扣离得越远,它退行得越快因此这种膨胀意味着退行速度与距离成正比-这是一个極为重要的关系。借助这个图像我们就可想象出光波是,难怪哈勃发现红移量与距离成正比,同这个简单的图像模拟结果完全一致

夶爆炸时空的一个重要特点就是

的存在:由于宇宙具有有限的年龄,并且光具有有限的速度从而可能存在某些过去的事件无法通过光向峩们传递信息。从这一分析可知存在这样一个极限或称为过去视界,只有在这个极限距离以内的事件才有可能被观测到另一方面,由於空间在不断膨胀并且越遥远的物体退行速度越大,从而导致从我们这里发出的光有可能永远也无法到达那里从这一分析可知,存在這样一个极限或称为未来视界只有在这个极限距离以内的事件才有可能被我们所影响。以上两种视界的存在与否取决于描述我们宇宙的FLRW模型的具体形式:我们现有对极早期宇宙的认知意味着宇宙应当存在一个过去视界不过在实验中我们的观测仍然被早期宇宙对电磁波的鈈透明性所限制,这导致我们在过去视界因空间膨胀而退行的情形下依然无法通过电磁波观测到更久远的事件另一方面,假如宇宙的膨脹一直加速下去宇宙也会存在一个未来视界。

大爆炸宇宙论微波辐射(1978年诺贝尔物理奖)

早在四十年代末大爆炸宇宙论的鼻祖

认为,峩们的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中其温度约为6K。正如一个火炉虽然不再有火了还可以冒一点热气。

1964年美国贝尔电话公司年轻的工程师-

,在调试他们那巨大的喇叭形天线时出乎意料地接收到一种无线电干扰噪声,各个方向上信号的强度都一样而且历時数月而无变化。

难道是仪器本身有毛病吗或者是栖息在天线上的鸽子引起的?他们把天线拆开重新组装依然接收到那种无法解释的噪声。这种噪声的波长在微波波段对应于

为3.5K的黑体辐射出的

(它的谱与达到某种热平衡态的熔炉内的发光情况精确相符,这种辐射就是粅理学家说熟知的"

")他们分析后认为,这种噪声肯定不是来自

射电源因为在转动天线时,噪声强度始终不变

后来,经过进一步测量囷计算得出辐射温度是2.7K,一般称之为3K宇宙微波背景辐射这一发现,使许多从事大爆炸宇宙论研究的科学家们获得了极大的鼓舞因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与理论预言的温度如此接近,正是对

论的一个非常有力的支持!这是继1929年哈勃发现星系谱线

后的又一个重夶的天文发现

宇宙微波背景辐射的发现,为观测宇宙开辟了一个新领域也为各种宇宙模型提供了一个新的观测约束,它因此被列为20世紀60年代天文学四大发现之一彭齐亚斯和威尔逊于1978年获得了

。瑞典科学院在颁奖决定中指出:这一发现使我们能够获得很久以前宇宙创苼时期所发生的宇宙过程的信息。

最后还有一个证实炽热高密度

理论的证据只要知道今天

的温度,由热大爆炸理论很容易计算出宇宙诞苼后约1秒时各处的温度约为100亿度这对现有的原子核的合成来说也是太高了。那时物质必定被撕裂成最基本的成分形成一锅夸克胶子汤,诸如

和电子但是,随着这锅汤变冷

采用大爆炸模型可以计算

在宇宙中所占含量的比例。所有这些轻元素的

都取决于一个参数即早期宇宙中光子与重子的比例,而这个参数的计算与微波背景辐射涨落的具体细节无关

所推测的轻元素比例(这里是元素的总质量之比而非数量之比)大约为:氦-4/氢=0.25,氘/氢=10^-3氦-3/氢=10^-4,锂-7/氢=10^-7

实际测量到的各种轻元素丰度和从光子重子比例推算出的理论值加以比较,可以发现它們是粗略符合的其中理论值和测量值符合最好的是氘元素,氦-4的理论值和测量值接近但仍有差别锂-7则是差了两倍,对于后两种元素的測算存在着较大的系统随机误差尽管如此,大爆炸核合成理论所预言的轻元素丰度与实际观测可以认为是基本符合这是对大爆炸理论嘚强有力支持。到目前为止还没有其它理论能够很好地解释并给出这些轻元素的相对丰度。同时由大爆炸理论所预言的宇宙,其中可被“调控”的氦元素含量也不可能超出或低于现有丰度的20%至30%事实上,很多观测结果现今也只有大爆炸理论可以解释例如为什么早期宇宙中氦的丰度要高于氘,而氘的含量又要高于氦-3而且比例又是常数等。

2014年3月17日美国物理学家宣布首次发现了宇宙原初引力波存在的直接证据。

是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的它是宇宙诞生之初产生的一种时空波动,随着宇宙的演化而被削弱科学家说,原初引力波如同创世纪大爆炸的“余响”将可以帮助人们追溯到宇宙创生之初的一段极其短暂的急剧膨胀时期,即所谓“暴涨”

然而,廣义相对论提出近百年来源于它的其他重要预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应等都被一一被证实,而引力波却始終未被直接探测到问题就在于其信号极其微弱,技术上很难测量
  美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极嘚BICEP2望远镜,观测宇宙大爆炸的“余烬”—微波背景辐射微波背景辐射是由弥漫在宇宙空间中的微波背景光子形成的,计算表明原初引仂波作用到微波背景光子,会产生一种叫做B模式的特殊偏振模式其他形式的扰动,都产生不了这种B模式偏振因此B模式偏振成为原初引仂波的“独特印记”。观测到B模式偏振即意味着引力波的存在
  南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。研究人员在这里发現了比“预想中强烈得多”的B模式偏振信号随后经过3年多分析,排除了其他可能的来源确认它就是原初引力波导致的。

2016年年初美国噭光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲引力波天文台(VIRGO)的科学家联合宣布,他们探测到了两个约为30倍太阳质量的黑洞在13亿年前的并合产生的引力波这一发现被称为“世纪发现”。

美国人索尔·珀尔马特和亚当·里斯以及持有美国和澳大利亚双重国籍的布赖恩·施密特获得2011年度諾贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖评审委员会4日评价,这3名获奖者“研究几十颗处于爆炸状态的恒星即‘超新星’发现宇宙正在扩张过程中,扩张速率不断加速”在瑞典首都斯德哥尔摩瑞典科学院内,诺贝尔物理学奖当地时间11时45分(北京时间17时45分)揭晓

珀尔马特、里斯和施密特的研究对象,是一些大质量恒星在演化后期伴随星核与星壳分离出现的一种现象即超级规模大爆炸。质量相当于太阳的8至25倍嘚恒星以超新星爆发方式结束“生命”而恒星外侧气体包则高速抛离,所显现的绝对光度可超过太阳光度100亿倍分析特定类型的超新星爆发,珀尔马特、里斯和施密特所属的研究小组发现超过50颗超新星所显现的光度比先前预期暗淡。对这一结果的解释是宇宙正在加速擴张。这个发现被瑞典皇家科学院称为“震动了宇宙学的基础”。

物理学奖评审委员会认定3名获奖者所获研究结果改变了人类对宇宙嘚认识。“将近一个世纪一种公认看法是,宇宙正在扩张是大约140亿年前‘

’的结果。”评审委员会说“不过,发现宇宙扩张正在加速令人惊异。”评审委员会介绍说“如果扩张继续加速,宇宙将以冰冻状态终结”另外,3人的研究确认了最初由科学家阿尔伯特·爱因斯坦提出的一种理论,即他称之为“宇宙学常数r”的理论。1998年,珀尔马特主持一个研究小组施密特则主持成员包括里斯的另一个研究小组。两个小组各自努力相互“竞争”,而观测结果可谓“不约而同”评审委员会宣布,奖金1000万

克朗(约合146万美元)珀尔马特獲二分之一,施密特和里斯获另外二分之一

对于大爆炸后最初的几分钟,相关的观测严重缺乏最早期宇宙物质——能量的实际形式很夶程度上仍只是猜测。

预测了特定类型的粒子(如难以捉摸的

理论都预测了各自原初粒子及作用力

的绝对优势也是一个需要透彻说明的經验性事实。

其他主要问题都与暗物质和暗能量的产生和本质有关(通常认为量子真空是二者的主要提供方)

美国的的科学家在2014年9月28日鼡数学的方法证明了“黑洞是不存在的”。

据美国物理学家组织网站报道美国北卡罗来纳州大学教堂山分校的理论物理学家劳拉·梅尔西尼·霍顿在在线物理学知识库ArXiv发表文章称,她已经用数学证明了“黑洞是不存在的”一旦她的观点被科学界论证是正确之后,现代物悝学对于宇宙的

报道指出劳拉的理论使用了数学方法,将万有引力理论和量子力学理论和谐地融合在了一起:得出的结论就是人们“黑洞并不存在”她和

都认为当恒星死亡坍塌时,会释放出霍金提出的辐射在这个过程中,星球自身也将流失一大部分的质量最终,死亡的星球所剩的密度不足以形成黑洞

如果这条理论被证实是正确的,大爆炸理论可能会因此而被推翻甚至于现代物理学对于宇宙的起源学说可能将被全部推翻,亦或是融合万有引力理论和量子力学理论的新理论中设定“黑洞不存在”

  • .果壳网[引用日期]
  • 2. (美)威廉·H.沃勒 保罗·W.霍奇 著 帅且兴 译.星系与星际边缘.中国大陆:外语教学与研究出版社,2009:P261~P267
  • 3. .网易网[引用日期]

理论物理学家爱因斯坦 图片来源:pixabay.com

尽管“民科”们在理论物理领域那些颠覆级、“诺奖级“的“研究发现”令人啼笑皆非实际上整体而言,与研制“两弹一星”及其他高端设备所突破的物理技术相比20世纪我国理论物理学发展的水平并不令人满意。

究其原因本文作者认为:早期出国学习理论物理的人尐,留学回国的物理学家中没有出现既富创新意识又能领袖群伦的人物国家对理论科学研究的重视程度不够,一些政治运动对科学理论研究产生了干扰作用这些都导致了我国理论物理学发展缓慢。

近代物理学在中国的建立始于20世纪初以有留学生去西方国家学习物理学為标志。

洋务运动开始后清政府派出不少人出国留学,但没有人专门学习物理留学生中有研习物理者,自20世纪始 [1] 20世纪上半叶,学习粅理的留学生陆续回国他们“埋首苦干,加倍努力使物理研究得以开始,得以扩大使我四千余年中华古国从此而有物理科学” [2] 。

就研究而言可以把物理学分为理论物理和实验物理;就运用而言,可以将之分为理论物理和技术物理一般认为,理论物理包含相对论与引力理论、宇宙学、量子力学、量子场论、基本粒子理论、统计物理、经典场论、非线性物理等分支学科

理论物理立足于科学实验和观察结果,借助于数学工具、逻辑推理和观念思辨研究物质、能量、时间和空间以及它们的相互作用和运动变化,从中概括出具有普遍意義的基本理论具有解释已知和预言未知物理现象及其运动规律的能力 ([3],页12—13)

20世纪上半叶,物理学在中国得以初步建立;20世纪下半葉该学科得到了很大发展。总体而言与技术物理相比,上个世纪中国理论物理学的发展速度明显缓慢

1935年,为纪念《科学》杂志创刊20周年严济慈先生应邀撰写了《二十年来物理学之进展》一文,从人才培养、专业研究、成立学会和创办杂志几个方面全面总结了物理學在中国的建立和发展状况。文章列出了53篇国内物理学工作者在欧美等国杂志上发表的论文题目及作者其中仅有燕京大学物理系英人班威廉 (William Band) 的一篇讨论协和物理场的论文属于理论物理;文章也列出了在《中国物理学报》等国内刊物上发表的55篇论文,其中除了周培源一篇介绍膨胀宇宙论和束星北一篇讨论万有引力的论文外余者也都不属于理论物理 [1] 。

十年后钱临照先生在《物理学》一文中专设“物理學在中国之发展”一节,在上述严文的基础上全面总结了物理学在中国的发展状况。文章按分支领域列举了当时70位在研究工作中做出成績的年轻学者其中属于理论物理者仅有研究相对论及宇宙论的周培源和束星北、研究统计力学的王竹溪和张宗燧 [4] 。

1950年周培源和王竹溪聯名在《科学》杂志上发表了《中国近三十年来之理论物理》一文,对国内学者在力学、相对论、量子力学、统计力学、热力学、电磁学等方面开展的研究工作进行了概括性总结其中具有较大国际影响的成果极少 [5] 。

1960年为庆祝中华人民共和国成立十周年,中国科学院组织各学科的专家编写了《十年来的中国科学》丛书其中《物理学:1949—1959》分册总结了该学科各个分支领域取得的成就。书中从基本粒子理论、原子核理论、固体理论和统计物理四个方面总结了在理论物理方面所取得的成绩认为“十年来理论物理的工作已经取得了不小的成绩,工作人员的数量较解放初期增加了三、四倍但是由于原来的基础太差,现在所达到的水平还不是很高还远远不能满足国家的需要。”

1966年以朱洪元和胡宁为代表的中国粒子物理学家提出了“层子模型”,这是一项得到国际同行肯定的成就

上个世纪末期,我国在理论粅理方面也取得了一些成绩但整体而言,与研制“两弹一星”及其他高端设备所突破的物理技术相比20世纪我国理论物理学发展的水平昰不能令人满意的。是什么原因造成了这种状况值得我们回顾与反思。

笔者认为造成我国理论物理学发展缓慢的原因主要有以下几个方面。

早期出国学习理论物理者相当少

考查我国老一辈物理学家出国留学所学专业及其攻读博士学位期间所做的研究工作可以看出学习悝论物理的人相当少。

据不完全统计从1900至1952年,中国留学生在国外获得物理学博士学位者至少有168人 ([7]页1243—1252) 。从这些人的博士论文可以看出其中仅有周培源、吴大猷、张宗燧、胡宁、彭桓武、马仕俊、朱洪元、黄昆、程开甲、王竹溪、王明贞等10余人在留学期间从事的是悝论研究,余者所做的基本上都属于应用物理或实验物理研究

赴欧美先进国家留学是20世纪上半叶我国高端科技人才培养的主要方式,后來在各个领域做出成就的科学家基本上都是国外回来的留学生。庚款留美计划为国家培养的人才最多《派遣美国留学生章程草案》规萣,派出的学生中“百分之八十专修工业技术、农学、机械工程、采矿、物理及化学、铁路工程、建筑、银行、铁路管理以及类似学科,百分之二十专修法律及政治学”由此可见,当时有计划地派出去学习科学理论的人很少

1909—1929年,清华留美预备学校共向美国派遣留学苼1279人另外还有庚款津贴留美自费生467人。这些留学生中学习理论科学的人极少。1933—1943年全国举行了六届庚款留美考试,共录取132人赴美留學其中有15人规定的学习学科属于物理学,但都是应用物理几乎无理论物理。庚款留英学生所规定的专业与留美的情况大致类似。此外还有各省的官费留学及自费留学其中也有一些人学习的是物理学,但基本上都不是理论物理这些情况正说明了获得博士学位人员中從事理论物理研究者少的原因。

吴大猷先生在总结中国物理学发展的历史时说: “为什么中国的物理研究发展得这么慢其中的原因之一,是因为我们大多数出国念物理的人都是作实验的物理研究”;“在国外念理论物理的中国学生比较少,这个也是我们物理发展得比较慢的原因之一” ([8]页88—89) 。吴大猷认为做实验研究,有好处但也有不好的地方。好处在于国外有实验设备,有现成的研究计划和主题学生比较容易完成学业。不好之处在于实验研究需要一定的设备,在欧美国家实验室里可以做的研究回到国内即没有条件继续開展工作了。

胡刚复、颜任光、饶毓泰、李书华、丁西林、叶企孙、吴有训、严济慈、赵忠尧、王淦昌、张文裕、陆学善、葛庭燧、钱三強、钱临照等等这些对中国物理学的建立和发展做出过重要贡献的老一辈物理学家,在国外留学期间做的都是实验研究工作他们利用國外的实验设备完成了一些当时属于物理学前沿的重要工作,如叶企孙于1921年对普朗克常数的测量、吴有训于1924年验证康普顿散射理论的实验、赵忠尧于1930年发现正负电子对产生和湮灭现象的实验、钱三强与何泽慧于1946年发现铀核三分裂现象的实验、张文裕于1949年发现08原子的实验等等这些工作,在国内都无法再继续开展研究所以吴大猷说: “就是因为我们学物理的绝大多数的人回国后,没有机会继续做实验工作所以中国的物理发展得很慢” 。

虽然物理学的理论研究和实验研究是密切相关的但就研究方法以及对研究者的业务素质要求而言,二者昰有区别的做理论研究,需要具备扎实的物理理论功底掌握专门的数学工具,具有比较强的逻辑思维能力和物理模型提炼能力等需偠经过专门的训练。做实验研究的人一般不太容易做好理论研究

留学生中学习理论物理的人少,即造成国内专业人才不足自然不利于研究工作的开展和深入。

缺少富有创新意识的领军人物

究竟具备什么素质的物理学家才可以被称为大师很难给出一个标准的说法。一般來说作为一位科学大师,应具有扎实的专业知识、深厚的学术功底、宽广的学术视野在本领域做出开创性成果,同时具有组织研究团隊、引领研究方向、营造学术氛围和培养学术传统的能力也就是说, 真正的科学大师不仅自己做出了学术贡献,而且能够引领一个团隊做出成绩 剑桥大学卡文迪什实验室的卢瑟福、哥本哈根大学理论物理研究所的玻尔、哥廷根大学物理系的玻恩应是物理学大师的典型玳表。就个人成就而言爱因斯坦是当之无愧的一流大师,但他在人才培养方面的成绩不大

对于我们这样的科学后发国家,在短期内难鉯产生一流大师这是可以理解的。从推动一个国家的科技发展来看科学大师的作用不仅体现在自己做出的科学贡献,更重要的是能否卓有成效地营造学术氛围培养研究人才,引领一个团队健康发展使之不断地取得重要成果。我国老一辈物理学家中极少有人在这方面莋得比较出色

而同样也是科学后发国家的日本,则出现了仁科芳雄 (1890—1951) 这样堪称物理学大师的重要人物20世纪,日本的理论物理学得箌快速发展已有5人在这方面获得诺贝尔物理学奖,这与仁科芳雄 (以下简称“仁科”) 的学术引领和人才培养有着重要关系

1918年,仁科畢业于东京帝国大学电工学科在长冈半太郎的建议下又重新入东京帝国大学学习物理学。1921年研究生毕业后,仁科被派往欧洲留学

1921年10朤至1922年8月,仁科在英国剑桥卡文迪什实验室留学师从实验物理学家卢瑟福做原子物理实验研究。

1922 年11月到1923年3月仁科在德国哥廷根大学留學,师从数学大师希尔伯特做物理学理论研究

1923年4月至1928年10月,仁科在丹麦哥本哈根大学玻尔理论物理研究所做访问研究这期间发表了9篇論文,深得玻尔的学术真传

1927年去法国巴黎,跟随年轻的物理学家泡利 (W. Pauli) 做了4个月理论研究;之后又返回哥本哈根玻尔研究所与瑞典學者奥斯卡·克莱因 (Oskar Klein) 合作提出以狄拉克方程表示康普顿散射的克莱茵-仁科公式,从而奠定了其在国际理论物理学界的地位

1928年末,仁科满载着在欧洲学到的物理知识返回日本他试图把刚刚建立的量子力学引进日本,在那里创造适宜的研究环境培养本国的精英人才。

1929年仁科邀请量子力学创始人海森伯和量子力学理论家狄拉克来日本讲学。在6天的时间里两人分别作了6场关于量子力学的学术报告,仁科至始至终担任翻译工作之后,仁科举办了量子力学讲习班亲自给年轻学者授课。后来获得诺贝尔物理学奖的汤川秀树和朝永振一郎等人都是讲习班学员

1931年,仁科在东京理化研究所设立了仁科实验室进行原子物理研究。

1937年他又邀请尼尔斯·玻尔来日本讲学。在一個月时间内,玻尔做了十场关于量子力学的演讲仁科负责翻译。这一系列的学术活动激起了日本一批年轻学者对于新兴的量子力学及原子物理研究的兴趣。海森伯和狄拉克在二十几岁就做出了世界一流的科学成就也激发了日本年轻学者的奋斗热情。

仁科在欧洲访学8年正值以相对论和量子力学为代表的现代物理学迅速崛起的时代,他所跟随的导师都是当时在物理学前沿领域做出开创性工作的世界一鋶学者。这些导师使得仁科从实验研究到理论探讨从学术思想到研究风格,都受到了全面的训练真正成为一位具有国际视野的物理学夶师。 二次世界大战前 世界物理学研究主要有三大传统,即剑桥大学卢瑟福的实验研究传统、德国哥廷根学派的理论研究传统、丹麦哥夲哈根学派的自由探索传统仁科受到了这三种传统的熏陶,这是其他留学者难以企及的经历

对于仁科来说,受到影响最深的是哥本哈根传统仁科不仅为推动日本传统物理学向现代物理学的转变发挥了关键作用,而且把玻尔研究所的学术风格引入了日本使之进一步发揚光大。汤川秀树的弟子内山龙雄曾评价说:“仁科博士将玻尔研究所那种现代的、而且是创造性的、具有探求精神的研究风格带回了日夲这种氛围和传统是旧的帝国大学所没有的。这种精神被接受过仁科博士教诲的人们传遍了日本” [9]

在仁科的引领下,日本现代物理学迅速崛起培养出一批具有国际水平的物理学家,汤川秀树因提出介子理论获得1949年诺贝尔物理学奖之后又有朝永振一郎 (1965年) 、江崎玲於奈 (1973年) 、小柴昌俊 (2002年) 、小林诚 (2008年) 和益川敏英 (2008年) 5人获得诺贝尔物理学奖 (南部阳一郎,因1956年提出粒子物理学的自发对称性破缺机制获得2008年诺贝尔物理学奖,但他的工作是在美国完成的故未将其计入日本本土获奖者中) 。另外还有几位日本科学家获得了諾贝尔化学奖和生理医学奖。

人才成长学术氛围的营造,需要学术权威的大力培养和积极引领仁科具有把自己留学获得的学识传授给夲国年轻人、把欧洲新兴的物理学移植到日本的强烈使命感。 他不但把量子力学引入了日本而且致力于宣传欧洲的先进科学精神,矫正ㄖ本过去偏重虚理、不重实验偏于顿悟、不重分析的学术传统,达到开启民智、树立新风的目的 [10] 他在自己的研究室贯彻的是哥本哈根精神,鼓励无拘无束的自由讨论和大胆探索提倡理论与实验结合,开展合作研究汤川秀树、朝永振一郎、坂田昌一、玉木英彦等一批姩轻学者都围绕在仁科身边开展工作,学生们亲切地称其为“师傅”汤川秀树深有感触地说:“我能跟他顺利地交谈,虽然我通常是很沉默的我也许从仁科身上看到了我在自己父亲身上看不到的那种‘慈父’的形象。总之我的孤独心,我的关闭的心开始在仁科教授嘚面前打开了。”对于仁科研究室自由探讨的学术氛围朝永振一郎曾感叹说:“不论化学出身,还是生物出身相互帮助的自由研究,昰除了仁科研究室之外无法看到的亮丽风景”

在仁科的努力下,仁科研究室成为日本培养科学精英的一片沃土在这里成长起来的不仅囿诺贝尔物理学奖获得者汤川秀树和朝永振一郎,还有诺贝尔化学奖获得者福井谦一仁科非常重视学术传统的培育和新风气的养成,“昰一位敢于发掘年轻人才激励、感化,使其大成的牵线人” [10] 对于推动日本物理学的快速发展,发挥了极其重要的作用因而被称为“ㄖ本原子物理学之父”。

20世纪上半叶留学回国的中国物理学家中没有一人具有仁科的留学经历及学术精神,更谈不上培养出象汤川秀树囷朝永振一郎式的优秀物理学家固然近代以来,日本的社会环境、科学基础比中国更有利于科学家的成长和研究工作的开展但中国少囿像仁科芳雄一样的大师,也是影响理论物理学发展的不利因素之一

新中国建立后,为了快速提升国防科技水平和经济实力国家非常偅视推动科学技术的发展,为此先后制订了《十二年科学规划》和《十年科学规划》等政策组织科研院所,调集各方面的力量有计划哋开展攻关研究,在短期内取得了以“两弹一星”为代表的辉煌成就在科学技术体系中,对社会产生直接推动作用的是技术而技术的發展需要基础理论作支撑。 新中国建立后国家把各方面的力量主要用在解决技术应用问题上,对科学理论研究重视的程度相对不足 由此对包括理论物理学在内的整个自然科学基础理论的发展产生了一定的制约作用。

《十二年规划》规定我国科学技术发展的方针是“重点發展迎头赶上”,采取“以任务为经以学科为纬,以任务带学科”的原则在当时的国际国内形势下,这个方针是正确的在科技力量极其有限的情况下,只能优先解决国家建设急需的技术应用问题同时兼顾相应的理论研究和学科发展。而且《十二年规划》也指出:“技术上带有根本性质的进步和革新,必须以一定的科学理论作为基础因此,要想在今后逐步做到依靠自己的力量解决本国建设中不斷出现的科学技术问题从根本上摆脱目前的依赖地位,就必须建立起我国自己的科学理论储备大力加强和充实理论研究的力量,克服忽视理论研究的近视的倾向”

不过,在实际工作中各个科研单位往往是忙于完成国家下达的技术研究任务,而无暇顾及相关的理论研究结果是大量的技术任务完成了,但基础理论研究水平一直不高一些相关的学科也未能得到很好的发展。 “以任务带学科”是学科為任务服务,与任务没有直接关系的学科或基础理论则得不到应有的重视。

对此许多科学家都有共识。激光物理学家王育竹说:“在愙观上我们不够重视基础性研究。我们的科研政策是‘以任务带学科’在过去的年代里,‘以任务带学科’确实推动了我国科技事业嘚发展‘两弹一星’的辉煌成果证明了它的正确性。虽然这一政策并没有不支持基础研究的含义但在强调任务带学科的同时忽视了与任务无直接关联的基础性研究。” ([11]页84)

即便是与国家任务相关的学科,其基础理论研究也在一定程度上被忽视了我国固体物理学家黃昆“根据多年的经验,归纳总结出一条规律:越是国家重视的学科该学科的基础科学研究反而越容易受到冲击。……这是因为对于唍成国家指令性任务,物理(理论)研究往往‘远水解不了近渴’而政治运动来了以后却往往首当其冲,动辄就被戴上一顶‘脱离实际’的帽子” ([12]页108) 。这种状况在“改革开放”之前是相当明显的黄昆说: “在我国的一个很长时期内,形成了越有重要应用的学科樾是撇开基础研究不搞的不正常局面。” ([13]页278)

一个国家在基础科学理论上落后,这个国家的科技发展就会缺乏后劲对此,我国一些著名的科学家都有清醒的认识王大珩在总结中国光学的发展历程时指出:“开展跟踪国际科技动态和瞄准世界先进技术的研究,利于像峩们这样科技基础比较薄弱的国家是十分必要的。但中国是一个大国理应像我们的先人一样,在各个领域应有自己的原始创新为世堺科学宝库做出自己的贡献,真正成为一个科技强国;因此我们的科研院所在完成国家任务的同时,要十分注重基础研究和原始创新茬光学研究的前沿和理论创新上同样做出成绩来。”

“改革开放”以后我国科技界急功近利倾向严重,浮躁之风盛行缺乏科研工作应囿的沉着和淡定,这同样不利于基础科学理论的健康发展

中国古代长期存在注重实际应用,轻视理论思维的传统这种传统在中国近现玳依然存在,而同样是从近代开始向西方学习科学技术的日本则有所不同从近代开始,日本一些科学家即具有相当强烈的重视纯科学研究的倾向养成了为学术而学术的研究传统。面对着西方列强的侵扰日本学者力求通过在科学研究中取得的成绩,以证明日本文化是世堺上优秀的文化

是日本明治早期三位著名物理学家,为日本物理学的奠基做出了重要贡献他们是在江户时代封建儒教传统影响下接受嘚启蒙教育,然后转向现代物理学的教育和研究1888年6月7日,长冈半太郎在给正在欧洲留学的田中馆爱橘的信中说:“在工作中我们一定偠有广阔的视野、敏锐的判断力和对事物的透彻理解,不能屈服不能有一丝的松懈。……没有理由让白人在每个方面都如此超前如你所说,我希望我们能在10或20年之内打败那些白人” 长冈半太郎等希望,在不久的将来能在知识上击败“白人”

这种心情,我国早期在国外留学的人也一样会有但是,日本学者具有的对于科学理论深入钻研的精神恐怕不是中国人所能比的。1947年美国科学顾问团对日本考察后发现:“大学里的很多研究,其内容都深奥晦涩相比数学分析或者应用数学,数学家们更喜欢数论这一类的研究造就一个文化阶層,维护日本的尊严证明其文化优越于世界上其它文化,这似乎是很多大学教研人员心目中最主要的动机”;“在大学毕业生和研究人員当中至少在自然科学和技术领域,相比于应用科学研究对理论科学研究的强调似乎有些过分”

日本科学家对科学理论研究的重视程喥,让美国人感到吃惊其实,一部分日本人对于理论科学研究的专注从明治维新中期即已开始了 他们视纯科学研究为一种智力游戏,任何国家的科学家都可以在其中获得机会通过获胜以展示自己的才华和自己国家文化的优越性。 这种倾向即使是在二战期间也没有停止過珍珠港事件爆发后,仁科呼吁日本的物理学家不要放松基础理论研究只有这样,等到战争结束时才不会落后于国外同行无论是战爭期间还是在战后,日本都有许多物理学家在理论科学领域继续着他们的“浪漫”的研究 [15] 汤川秀树能于1935年提出介子理论,1949年获得诺贝尔粅理学奖创造了未去西方留学而获得诺贝尔奖的神话,其原因之一就是在这种“智力游戏”倾向影响下持续钻研的精神

这种现象是值嘚中国人深思的。日本已有6人获得诺贝尔物理学奖其中5人的获奖成果都属于理论物理研究内容。这种现象充分证明了日本物理学家长期偅视理论研究的成效

一种学术风气的养成,既需要学术共同体的自觉践行也需要国家的认同与支持。尤其是当科学技术被纳入一个国镓的统一发展目标之后国家的认同与支持就更为重要了。对于我国理论物理学的发展情况也是如此。

上个世纪50至70年代的近30年间我国開展过一系列政治运动,其中有些运动对科学技术的发展产生了相当大的不利影响有的甚至是破坏性的影响。这些运动对于理论物理学嘚发展同样产生了负面作用。

从新中国建立至“文革”结束中国开展了一系列批判自然科学中“资产阶级唯心主义思想”的活动,批判的领域涉及自然科学的各个学科其中物理学领域主要批判哥本哈根学派的量子力学诠释和爱因斯坦的相对论及其科学思想。几十年间这种批判活动时起时落,但从未停止过量子力学建立后,玻尔提出了互补原理海森伯提出了测不准原理,由此构成了关于量子力学嘚哥本哈根学派诠释这些理论被中国学者认为充满了唯心主义和形而上学思想,是为反动的资本主义制度服务的受到了反反复复的批判 。“文革”期间爱因斯坦被一些人看作“自然科学领域最大的资产阶级反动学术权威”,是“阻碍自然科学前进的最大绊脚石”;相對论被看做是“渗透着资产阶级唯心主义和形而上学观点的自然科学理论的典型代表”爱因斯坦及其相对论都受到了强烈的批判[17]。相对論和量子力学是理论物理学中最重要的内容也是支撑整个现代物理学的两大柱石。对哥本哈根学派和爱因斯坦的批判无疑会对我国理論物理学的发展产生一定的负面影响。

1957年的“反右派”运动结束后随即揭开了“批判资产阶级学术思想”运动的序幕。全国开展了轰轰烮烈的“插红旗、拔白旗”运动许多著名教授、学术权威被作为资产阶级“白旗”拔掉。一些高校的学生开展了对自己的老师及其科研笁作的批判活动1958年,北京一所著名大学物理系的少数师生撰写批判文章对该系著名统计物理学家王竹溪的《热力学》讲义进行了批判,认为该书存在着“科学脱离生产”、“理论脱离实际”和“数学脱离物理”等错误倾向[18]武汉一所著名大学物理系的师生对该系张承修敎授的《统计物理学》讲义和王治樑教授的《量子力学讲义》进行了批判,认为“讲义和教学严重脱离实际”“暴露了作者的唯心主义卋界观” [19, 20] 。这种活动无论对于被批判的学者,还是对于参与批判的学生都会产生一定的负面影响。

建国以来国家一直强调在各项工莋中贯彻“理论联系实际”的原则,这是一种优良的工作作风也是一种优良的学风。不过 对于自然科学理论研究而言,一味地强调理論联系实际有时会对一些基础理论研究工作产生束缚作用,因为并非所有的理论都能及时的与实际应用直接联系起来 正如黄昆所言,茬强调“理论联系实际”、反对“白专道路”的政治氛围中理论研究更容易招来非议,没有生存的空间

持续10年的“文化大革命”运动,对一些科学家的打击更大黄昆一直从事固体物理理论研究,“文革”一开始就被作为“反动学术权威”遭到批判,被打成“黑帮”洏“靠边站” ([12]页99—101) 。1969年著名统计物理学家王竹溪在“清理阶级队伍”运动中,被扣上“反动学术权威”的帽子下放到江西鄱阳鍸畔鲤鱼州牧牛 ([21],页227) 1969年,中国四大理论粒子物理学家之一的张宗燧由于经受不住磨难服用大量安眠药而自杀了。“文革”期间凅体物理学家谢希德也受到冲击,被迫停止了科研工作

由上述即可看出一些政治运动对于我国理论物理学研究工作的干扰作用。

早期出國学习理论物理的人少因而人才队伍不足;留学回国的老一辈物理学家中缺少既富创新意识又能领袖群伦的人物;国家对理论科学研究嘚重视程度不够,加之一些政治运动的干扰因而社会环境不利于理论物理学研究工作的开展。在这几种因素的共同影响下20世纪中国理論物理学发展的速度缓慢,应是必然的结果

[3]国家自然科学基金委, 中国科学院. 未来10年中国学科发展战略·物理学[M]. 科学出版社. 2012.

[6]中国科学院编譯出版委员会. 十年来的中国科学[C]. 物理学: 1949—1959分册. 科学出版社. 1962.

[7]戴念祖主编. 20世纪上半叶中国物理论文集萃[M]. 长沙: 湖南教育出版社. 1993.

[8]吴大猷. 早期中国物悝学发展的回顾[M]. 联经出版事业公司. 2001.

[9]乌云齐齐格, 袁江洋. 谱系与传统: 从日本诺贝尔奖获奖谱系看一流科学传统的构建[J]. 自然辩证法研究. 2009. (7).

[11]王育竹. 关於中国诺贝尔奖的思考[C]. 卢嘉锡主编. 院士思维(3). 合肥: 安徽教育出版社. 2001.

[13]黄昆. 半导体物理研究的兴起[C]. 夏建白等主编. 自主创新之路——纪念中国半导體事业五十周年. 北京: 科学出版社. 2006.

[14]王大珩. 中国光学发展历程的若干思考[C]. 宣明主编. 王大珩. 北京: 科学出版社. 2005.

[18]胡慧玲等. 批判王竹溪先生在《热力学》书中的资产阶级观点[J]. 北京大学学报. 1958. (4): 461—467.

[19]武汉大学物理系一九五八年毕业班红旗战斗司令部. 批判张承修先生所编的《统计物理》讲义中的资產阶级观点[J]. 武汉大学自然科学学报. 1959. (2): 11—14.

[20]武汉大学物理系量子力学课程检查小组. 初剖王治樑先生所编的《量子力学讲义》第一章[J]. 武汉大学自然科学学报. 1959. (2): 15—21.

[21]王正行. 严谨与简洁之美: 王竹溪一生的物理追求[M]. 北京: 北京大学出版社. 2008.

本文原载《科学文化评论》2017年14卷2期,《科学春秋》获授权刊發

撰文:胡化凯 (中国科学技术大学科技史与科技考古系教授)

最近一段时间微信的一些科普公眾号连续转载了不少对起源和膨胀的争论文章阅读了这些争论文章后感觉与维基百科的相关内容相差不大,后面附上维基百科中宇宙膨脹和暗能量相关子目的部分内容这应该也是目前科学界的主流看法。


但是在进一步阅读和分析这些内容后发现这些文章基本都没涉及┅个问题。而这个问题可能带给我们宇宙加速膨胀的另一个完全不同的解释即宇宙加速膨胀不需要暗能量。

二、时空弯曲与空间膨胀 既嘫涉及宇宙及其膨胀这个空间问题那么我们就必须再回头从新看一下爱因斯坦的广义相对论的相关描述。


广义相对论是一种关于引力的悝论它由爱因斯坦在1907年到1915年间完成。
在广义相对论中引力被描述为时空的一种几何属性(曲率),而时空的曲率则通过爱因斯坦场方程和处于其中的物质及辐射的能量与动量联系在一起
根据广义相对论,物质之间的引力来自于时空的弯曲
美国相对论研究的首席专家,约翰·惠勒解释:"爱因斯坦的引力的几何理论可以这样概述:时空告诉物质如何运动物质告诉时空如何弯曲。"

按个人理解简单通俗來说,就是大质量物体周围时空弯曲的程度大一些小质量物体周围时空弯曲的程度小一些,随着物质质量的不同物质周围的时空弯曲程度也是不同的。一个物体如果它的质量发生了变化,那么它周围的时空弯曲程度就一定会发生变化。

那么这里有个问题空间弯曲程度的变化究竟是不是空间大小即距离的变化,我个人的观点认为是的。即物体周围的时空弯曲程度的变化就是物体周围空间大小即距离的变化。并且目前关于虫洞的科普文章对空间弯曲的描述给人的感觉就是在描述局部空间的收缩或膨胀,即物体间的距离变化

由於万有引力是与距离的平方成反比的,那么物质的距离越是遥远这种物质间的距离增加(空间膨胀)就必然会越明显。并且因为两物體质量的乘积和力与距离平方的乘积成比例,所以距离越是遥远的物体之间质量变化造成的距离变化即空间变化越容易超过引力的作用。


这从万有引力公式中也很容易看出来:
将两质量的乘积看做质量的平方后可以得出
从这个公式的变形状态来看,当质量发生变化后對力与距离的影响中,距离的变化会更大一些那么距离的变化其实也就是空间的变化。(考虑到引力常数数值非常小,它在这里起到的作鼡是缩小等号左边数值或放大等号右边数值的作用。)
在引力不变的条件下质量等于距离乘以一个系数!(实际上引力是会变的,所鉯这个系数大于一和小于一的时候距离的变化率会出现两个结果。这个公式变形如果我没变错的话它就有点意思了。当质量超过一个數值之后距离乘以的系数就会大于一,那么距离变化率就会变小反之,质量小于一个数值之后距离乘以的系数就会小于一,那么距離变化率就会变大这就是说,质量存在着一个临界值并且,这个临界值的数值不大但是想对这个公式求解却比较困难了,因为引力囷距离是随质量变化的这个方程中有三个变量。) 在多数情况下宇宙中天体之间的引力都会大于万有引力常数,这就是说质量变化的幅度是大于或远大于距离的这和我们现实中的感觉也是相符的。
这也表明了宇宙暴涨之后的体积已经是相当可观的了

由此可以得出一個推论,这个推论就是宇宙物质的质量变化至少是宇宙空间变化(膨胀或收缩)的原因之一

宇宙的膨胀就表示宇宙的质量一直在减小,宇宙加速膨胀就意味着宇宙的质量在加速减小


即,空间中的物体质量降低其周围时空弯曲的程度随之减小,这等同于物质周围空间扩夶即空间膨胀。

在本人看到的全部涉及宇宙膨胀的文章中宇宙质量的变化被所有人都忽略了。


至于它是主因还是根本原因这要看具體的观测数据与计算结果,这就超出本人力所能及的范围了不过,直觉告诉我宇宙质量的变化是宇宙空间涨缩的根本原因

三、宇宙的囸常质量变化 那么,这个宇宙的质量是在减小吗如果是的,它减小的质量有多少是否可以忽略不计呢?


这里暂时先不考虑宇宙诞生初期的情况这个问题后面再说,这里先讨论恒星诞生之后宇宙的质量是否是减小的

从恒星诞生那一刻开始,其内部就开始了核聚变反应

一千吨氢(氢核由单个质子组成)可以转变为 993 吨氦 (氦核由两个质子和两个中子结合而成)。失去的这 7 吨质量将作为同它等效的能量洏被释放出来

然后这993 吨氦进一步聚变为991.5吨铁。也就是说当氢聚变成氦时会有7吨质量转变为能量,而当氦聚变为铁时只囿1.5吨的质量转变为能量。 ——摘自《你知道吗 现代科学中的一百个问题》阿西莫夫著17节“在一颗恒星上,聚变反应可以进行到什麼程度”】


上面这些数据表明,一千吨氢反应到铁的时候是要损失掉约8.5吨质量的如果再加上之后超新星爆发生成的重金属同位素及其衰变产生的质量损失,这些质量损失的累加应该可以超过1%;
虽然具体到每颗恒星来说其内部参与核聚变反应的质量比例不是很大,这些質量损失看似很小但是一百多亿年累积下来,其累计数量应该也是非常可观所占的比例绝对不能忽视。
尤其是现有研究表明越是大質量的恒星,其核聚变反应越是剧烈即质量消耗也就越多,同时寿命也就越短而宇宙早期体积较小,物质密度较大且非常充足的时候大质量恒星的数量肯定会远远高于现在。这些大质量短寿命的恒星究竟消耗了多少物质质量呢
随后的中等质量的恒星一生又要消耗掉哆少质量呢?
在一个星系中恒星数量越多,质量消耗就会越多星系质量下降就会越快,这也就意味着这个星系内部以及周围空间发苼了加速膨胀。

年LIGO发布检测到的四次引力波事件中:

两个分别为31.2和19.4倍太阳质量的黑洞并合为48.7倍太阳质量的黑洞。GW170814    两个分别为30.5和25.3倍太阳質量的黑洞并合为53.2倍太阳质量的黑洞。 ——这四组数据来自关于引力波的相关网络报道】


上面这些中小型黑洞的每次合并均消耗了约4%質量。个人猜测这些黑洞可能是早期大质量恒星燃尽后形成的也可能就是宇宙早期质量丰富的时候直接形成的。
星系中央的超级黑洞如果是由很多的中小黑洞合并形成的话那么在它们的生成过程中,损失掉的质量同样是可以估算的
从上面黑洞合并的数据来看,两个黑洞合并的时候需要消耗掉大约两个黑洞质量之和的4%,即如果要生成一个20倍太阳质量的黑洞的话合并前的两个黑洞的质量之和就要达到20.8倍太阳质量,由此推算的话要形成银河系中心黑洞(约450万倍太阳质量),其合并过程中消耗的质量已经超过了这个超级黑洞现存的质量如果要形成更大的超级黑洞,其消耗的质量所占的比例还要更高
还有,从引力波的探测范围和探测到的事件频率来看宇宙中的黑洞匼并事件的发生频率也是非常高的。
如果这些超级黑洞是逐渐吸积形成的话那么其质量损失的计算就要由专业人士来估算了。但是个人猜测这些超级黑洞的早期是极有可能经历了一段黑洞合并的过程。
我不知道银心黑洞在本超星系团中能排到什么位置同时也不知道在整个宇宙中这130多亿年来,这些中间阶段的中小型黑洞到底合并了多少次究竟消耗了多少质量。不过从上面数据来推测的话这些黑洞所消耗的物质质量极有可能会超过目前宇宙现存的物质质量,甚至消耗掉的质量会是现存质量的几倍

一个星系从宇宙诞生到今天,经历这130哆亿年的时间有多少质量被消耗掉了呢?


星系的平均亮度是可以观测的恒星数量也是可以估测的,那么它的质量减少速度也同样是可鉯估算的
黑洞的数量是可以估算的,黑洞合并的概率也是可以计算的那么这一百多亿年来,其质量消耗也是可以估算的
还有其他的質能转变现象造成的质量减少,这些都是可以估算的
只是因为个人条件所限,这些计算已经超出了本人的能力只能留给他人来验算了。

由此反推的话宇宙早期的质量只能是更大,物质的消耗也会更多由此,它的质量的损失速度也就越大这与越是遥远的星系离开我們的速度就越大也是相符的。

四、宇宙初期的质量变化 如果我们把宇宙膨胀和质量减少画上等号的话那么在宇宙诞生初期它一定经历过┅个或几个质量剧减的阶段。


我们知道正负电子和光子之间是可以互相转化的而电子有静质量,光子没有静质量同时我们还知道,在核反应中质量是可以通过转化为能量而减少的。
这说明质量是由某些物质或结构产生或释放的
由此我们可以大胆的假设一下,在宇宙嘚初期当无比巨大的引力将产生质量的结构或物质压垮之后(参照白矮星、中子星和黑洞的形成,这个压垮过程不会需要太长时间极鈳能是在瞬间完成的),那么质量的瞬间消失(或急剧降低)就意味着空间的暴涨
由此还可以产生一个推测,即黑洞是存在一个质量仩限的。
一个超过质量上限的黑洞压垮了产生质量的结构之后,就转变为一个只喷出物质和能量的物体这样只出不进的与黑洞相对应嘚空间物体貌似是被称作“”。
鉴于我们现在对亚原子结构的了解程度上面这个过程暂时只能是猜测,其具体内容还是未知的

当宇宙擴张到正反物质产生的时候,正反物质泯灭导致的质量剧减还会再一次的引发空间剧涨


当正反物质的一种或两种消耗殆尽后,宇宙的暴漲或剧涨也就正式结束了
在之后,我们的宇宙就进入了加速膨胀或者正常膨胀时期即前一部分描述的黑洞和恒星的发展阶段。

五、空間膨胀与引力的战争(宇宙的未来与涨缩震荡) 如果宇宙的膨胀源自于质量变化那么这个宇宙的膨胀会一直持续到它的质量不再大量减尐为止。鉴于引力对物质的作用宇宙膨胀不会持续到质量完全停止减少的时候。


然后引力的作用从新开始主导宇宙的演变,它将开始進入一个空间收缩的阶段
当空间收缩到一定程度,物质的密度达到一个临界值以上的时候恒星会从新形成,空间收缩造成的黑洞接近會让黑洞进一步合并这种质量减少形成的空间膨胀超过引力的作用之后,宇宙会从新开启膨胀之路
这种膨胀收缩,在膨胀在收缩可能会重复很多次,直到最后的质量减少形成的空间膨胀再也不能夺取宇宙演化的主导权为止
到了那一刻,这个宇宙就开始了最后的收缩階段最终结束于一个超超超级黑洞。
只是不知道那时,那个超超超级黑洞的质量能否达到黑洞质量上限压垮它的自身,从新成为一個白洞再次开启一个宇宙周期的循环。

六、说一下暗物质 这里只是推测暗物质的一个可能解释

在宇宙学中,暗物质是指无法通过電磁波的观测进行研究,也就是不与电磁力产生作用的物质人们目前只能透过重力产生的效应得知,而且已经发现宇宙中有大量暗物质嘚存在

现代天文学经由重力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等方法和理论来探测暗物质。而根据ΛCDM模型由普朗克卫星探测的数据得到:整个宇宙的构成中,我们常说的物质占4.9%而暗物质则占26.8%,还有68.3%是暗能量(质能等价) ——以上内容来自维基百科的暗粅质子目】

既然早期宇宙需要更多的物质产生引力才能形成现在的宇宙的大尺度结构,既然现在我们用尽办法在身边也找不到这些应该存茬的物质同时宇宙的演化又需要消耗大量的质量(物质),那么这些找不到的物质就极有可能是被恒星或黑洞的演化所消耗掉了它们巳经转化成空间膨胀,所以今天我们是再也看不到了

如果事实如此的话,那么今天我们的银河系和其他所有星系一样因为恒星的不断燃烧,是依然处在不断膨胀之中的这在整个星系内部的恒星的运行速度上都会有所表现。

考虑到万有引力是与距离的平方成反比这表奣,越是遥远的距离这种空间的变化才会越明显,同时星系内侧恒星所受到的各种天体引力的干扰更强一些,星系外侧恒星受到的各種天体引力干扰的作用较弱表现会更加明显,所以星系外侧恒星的运行速度会明显高于它的目前正常理论计算速度这在天文观测之中昰已经被证明了的,并且被当做了暗物质存在的证据之一

不过,暗物质造成的星系外侧恒星的速度异常增量应该是近乎恒定不变的这昰因为目前的暗物质理论中,暗物质几乎不和物质发生任何反应所以暗物质的质量也是几乎不变的。

但是如果是星系总体质量减少造成嘚星系外侧恒星的速度异常增量那么这个速度增量是会持续增加的,这是因为星系的总体质量一直是在下降的所以星系外侧恒星的运荇速度是每时每刻都在不断地随着空间膨胀而增长着。

这一点目前的观测应该还没有注意到,或者因为恒星轨道的周期性短期内很难確定这种因空间膨胀所表现出的速度增量。

(注:这个速度增量应该至少包括三个部分:


1、星系内侧中心部分恒星聚变或黑洞合并消耗的質量的影响;
2、星系内侧中心部分恒星或黑洞抛出并弥散到星系之外的物质造成的星系总体质量减少的影响。
3、恒星本身聚变消耗质量嘚影响;
第1、3部分对星系和宇宙整体的膨胀都有影响
第2部分只对本星系的空间膨胀有影响,对宇宙的整体膨胀无影响)

考虑到万有引仂是与距离的平方成反比,因为星系间的距离远远大于星系本身的尺度所以星系的质量变化与星系间的距离变化即空间膨胀的关系会更加明显易见。


如果这些无法被观测到的暗物质的确是被宇宙的演化所消耗掉了变成了宇宙空间的膨胀,那么这些数据就应该可以被广义楿对论的计算所验证欢迎有此能力的朋友进行一下验算,以肯定或否定这个猜测这里我个人提前表示感谢了。

七、结束语 本文的分析是建立在万有引力和广义相对论的对引力和空间的描述基础之上的。


只是因为个人条件所限,具体数据和计算有所缺失在有些细节仩可能还是有些问题的。
但是如果质量变化形成的引力变化就是空间的变化,那么本文的分析在理论和逻辑上就不会有太大的出入即這条路是正确的。
我们所在的这个宇宙没有暗能量,也没有暗物质它的全部演化历史,不管是最初的暴涨还是紧接着的剧涨,再或鍺后来的膨胀收缩震荡都是它质量变化的历史!

最后补充一则近期来自网络的消息:


中国科学院国家天文台的一支研究团队近日发现叻暗能量随时间演化的证据,这一发现表明暗能量的本质有可能不是爱因斯坦百年前提出的“宇宙学常数r”。

国家天文台研究员赵公博領导的一个国际团队利用其开发的暗能量重建方法,在3.5个标准差水平发现了暗能量状态方程随时间演化的证据国际权威学术期刊《洎然··天文》近日在线发表了该成果,并在随后刊发国际知名学者撰写的解读文章。“这意味着暗能量的本质可能不是真空能,而是某種动力学场”赵公博说。

——这与本文的分析是不谋而合的

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