宇宙学原理的提出与证明.docVIP

一、宇宙学原理的提出　　如果你用‘宇宙学原理’这个关键词在互联网上进行有哪些信誉好的足球投注网站，会得到许多各种各样的不同答案。它们大部分并不是爱因斯坦在进行宇宙学研究时引进的宇宙学原理的原版，而是后来其他人对宇宙学原理的理解。我这里所要讨论的宇宙学原理是爱因斯坦在用他的广义相对论引力方程进行宇宙学研究时所提出的宇宙学原理。在爱因斯坦用他的广义相对论引力方程进行宇宙学研究时，天文学家对宇宙的认识还非常有限。当时天文学家还不知道在银河系之外还存在有大量和银河系类似的其它星系，因此爱因斯坦也以为由大量恒星和‘星云’组成的银河系就是整个宇宙，这个宇宙是静态的。爱因斯坦提出宇宙学原理这个假设，并不是根据现在我们所知道的宇宙结构实际情况简化后得出的理想化近似假设，主要还是数学上的原因。因为广义相对论的引力方程是一个二阶偏微分方程组，数学上无法直接对这个二阶偏微分方程组进行求解。引进宇宙学原理的主要目的和作用就是使广义相对论的引力方程可以得到极大的得到简化，得到所谓的宇宙学方程。这个宇宙学方程可以从数学上求解。爱因斯坦在引进宇宙学原理后，虽然简化得到了宇宙学方程，但爱因斯坦仍然无法得到他所希望得到的宇宙应当是静态的数学解，于是爱因斯坦认为在他这样得到的宇宙学方程中还应当加上了一项‘宇宙学常数’，这样爱因斯坦才有可能从他的宇宙学方程中得到满足他的静态宇宙学模型的解。后来弗里德曼从数学上证明，在爱因斯坦得到的宇宙学方程中不必加上宇宙学常数，方程仍然可以有解，但是弗里德曼得到的这个宇宙学方程的解，要求宇宙不是静止的。宇宙应当或者是在膨胀，或者是在收缩。在1929年天文学家哈勃发现哈勃定律后，学者们认为宇宙应当是在膨胀。因此在后来很长一段时间中，宇宙学常数被大多数学者，包括爱因斯坦自己，所抛弃。1998年以后由于所谓‘宇宙加速膨胀’的发现，学者们这才又想起要把宇宙学常数请回来。从上面的讨论我们可以看到，标准宇宙学模型中宇宙学方程虽然是以广义相对论的引力方程为基础，但并不等于广义相对论。宇宙学原理这个假设在宇宙学方程的推导中起了非常重要的作用。广义相对论的引力方程的正确性并不能保证宇宙学原理假设是合理的。后来标准宇宙学模型虽然成了宇宙学研究中的主流理论，但宇宙学家心里也明白，宇宙学原理假设是否成立，仍然是标准宇宙学模型是否能够成立的前提基础，现有的天文观测并不能令人信服地证明宇宙学原理是合理的。现在已经实际观测到的结果表明，在各种尺度上宇宙中的物质分布并不是均匀各向同性。于是有些宇宙学家为了证明宇宙学原理的合理性者就提出，对‘宇宙中的物质分布是均匀各向同性’应当从‘宇宙学尺度’上去理解，即物质分布为均匀各向同性是在‘宇宙学尺度’上成立。对‘宇宙物质分布的均匀各向同性是在宇宙学尺度上成立’这个说法，关键是对宇宙学尺度的理解。今天人们通常宇宙中把10Mpc 以上的结构称为宇宙的大尺度结构，目前可以精确地观测到的宇宙的范围大约是100Mpc。更大尺度上的观测结果还不是十分明确的。近20多年来，宇宙大尺度结构的观测研究取得了重大进展。它是用各星系的光谱线红移可以得出它们的‘退行’速度，再用‘哈勃定律’求出距离，这样我们可以画出星系分布的三维图。有趣的是，有迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状。即在宇宙中有许多几乎看不到星系的空洞区域(Void)，大部分星系则聚集在这些空洞的壁上，呈纤维状或片状结构。它的二维示意图形如图1。有学者把这些纤维状或片状结构称为宇宙中的‘长城’（The great wall），下面图1是引自在互联网上查到的国家天文台邹振隆研究员2006年11月1日制作的PPT课件，题目为‘宇宙的大尺度结构’。图2画的是我们银河系所在的‘本星系群’（靠近中央的粉线所指小白斑点）周围的星系团在三维空间中的分布图，标尺是1Mpc，即百万“秒差距”（1秒差距=3.26光年）。此图的所有星系团组成“本超星系团”(local cluster)，其中心大致在室女星系，而本星系群离中心约1800万‘秒差距’。宇宙学原理的证明1 宇 宙 学原理假设是否成立，是标准宇宙学模型是否能够成立的前提基础，现有的有关宇宙中物质分布的天文观测并不能令人信服地证明宇宙学原理是合理的。于是宇宙学家和理论物理学家想尽其它办法从其它方面来证明宇宙学原理是成立的。从现在对宇宙物质分布的观测结果（见前面帖子的两张宇宙空间星系分布图），我们可以看到，直接用现在已有的天文观测结果很难证明宇宙学原理是正确的。于是有些学者就认为，宇宙微波背景辐射的分布是均匀各向同性，而宇宙微波背景辐射是宇宙早期大爆炸的遗迹，因此宇宙微波背景辐射的分布均匀各向同性说明，宇宙中物质至少在宇宙的早期是均匀各向同性分布。如果承认宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的遗迹，同时只考虑宇宙微波背景辐射的强度分布，则认为宇宙中物质至少在