勒梅特[比利時天文學家]

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勒梅特(Lemaitre Georges,1894.7.17—1966.6.20),比利時天文學家和宇宙學家。他提出現代大爆炸理論。該理論認為宇宙開始於一個小的原始“超原子”的災變性爆炸。他提出宇宙大爆炸理論,用這一理論,星系的退行可在愛因斯坦廣義相對論框架內得到解釋。雖然宇宙膨脹模型已早有人提出過,但經伽莫夫修改過的勒梅特理論在宇宙論中已居於主導地位。

基本信息

簡介

年輕的勒梅特 年輕的勒梅特

勒梅特,比利時天文學家,1894年 7月17日出生於比利時的沙勒羅瓦,曾在比利時魯汶大學學習建築工程專業,後參軍服役。第一次世界大戰期間,勒梅特作為土木工程師在比利時軍隊中擔任炮兵軍官。戰後進入神學院並於1923年接受神職,擔任司鐸。曾求學於魯汶大學,1923-1924年間在劍橋大學太陽物理實驗室學習,後到美國麻省理工學院學習,在那裡他了解了美國天文學家E.P.哈勃的發現和H.沙普利有關宇宙膨脹的研究。1927年回國,任魯汶大學天體物理學教授,1932年,又進一步提出“原始原子”爆炸起源的理論。後來被伽莫夫發展成為大爆炸宇宙學。勒梅特還研究過恆星形成理論、宇宙線和三體問題等。他的主要著作有《宇宙演化的討論》、《原始原子假說》。1966年6月20日卒於魯汶。

與愛因斯坦 與愛因斯坦

主要貢獻

勒梅特“超原子” 宇宙模型圖冊 勒梅特“超原子” 宇宙模型圖冊

勒梅特根據施瓦西度規(Schwarzschild vacuum solution)通過坐標變換得到勒梅特度規,這是一個引力作用下的自由下落度規。這個度規是勒梅特宇宙模型的基礎。其後羅伯遜與沃克發展了勒梅特度規,得到更高維度(三維)對稱的羅伯遜-沃克度規,作為伽莫夫提出的大爆炸宇宙模型的度規基礎。勒梅特還研究過宇宙射線和三體問題,三體問題是用數學方法描述三個互相吸引的物體在空間中的運動。

勒梅特的主要著作有《論宇宙演化》(1933)和《原始原子假說》(1946)。 .

個人觀點

宇宙起源

勒梅特論文 勒梅特論文

1927年,勒梅特教士發表了他的主要研究成果:均質的宇宙質量不變,半徑不斷增加,並闡明了銀河外星雲的徑向速度,就如何對當時的兩種相對論進行兩難選擇提出了解決辦法,一種是愛因斯坦的相對論,認為宇宙“飽和”“靜止”,另一種是德西特的相對論,認為宇宙在膨脹,但裡面沒有物質!不久之後,他於1931年對自己的成果加以補充,提出他的宇宙起源假說的雛形,即原始原子。根據這種假說,宇宙在不斷膨脹,它起源於一個原子的放射性裂變。勒梅特的想法與一些根深蒂固的偏見相牴觸。雖然對空間和時間的看法起了變化,雖然宇宙一般處於靜止狀態作為不言明的宇宙學公設被人接受,但是,要等到1929年,即勒梅特的第一篇文章發表兩年之後,哈勃和赫馬森才公布一個星系退行的速度和它的距離之間的關係:這一次,宇宙膨脹的問題不是由一位宇宙起源學理論家來提出,而是由進行觀測的天文學家來提出。但是,是否應該把譜線紅移看做遠離的運動的標誌?有些人曾否定過這點,有幾個人仍對此持否定態度:其他的物理學原因被提了出來,但是,與“退行”的假說不同的是,這些其他原因要么不能闡明觀測到的所有效應,要么使人預見到一些至今尚未觀測到的效應。

提出問題

勒梅特[比利時天文學家] 勒梅特[比利時天文學家]

一、勒梅特首先提出的問題是,從數學家對可能無限和實際無限的推理出發,來了解眾多恆星是有限的還是無限的。他的結論是,恆星的數目是有限的。但是,由此是否能推斷出恆星之間的空間是有限的?

結論並非完全是直接得出的,因為如果說恆星是實際存在的,用測量空間來對它進行劃分只是潛在的可能。儘管如此,十分明顯的是,如果幾何定律在不做過大改變的情況下能在恆星世界中成立,就能從恆星數目有限中得出結論,認為包含所有恆星的凸多面體的體積有限。這種推斷得出的主要假設是,阿基米德原理可用於兩個恆星的距離,這就是說,如果連線這兩個恆星的一條線是有限的長度,那么就可以用有限數的運算來算出這個路程。如果恆星之間有距離的關係,那么,它們所包含的體積就是有限的。

二、提出了虛空的邊界問題。

大量恆星擴展到幾千秒差距(parsec)遠的地方,形成一種圓盤,其寬度為高度的十倍。圓盤之外有什麼?我們將在片刻之後看到,天文學大大擴展了宇宙體系,使我們隱約看到在奇遠無比的距離之外的巨大星團和銀河外的星雲。但是,在這些之外,我們是否能夠達到,是否應該希望達到最後一個星雲,達到位於世界邊緣的最後一個恆星?

可以構想一個凸多面體,其頂點有最後幾顆恆星,多面體裡包含著其他所有恆星。只要這最後幾顆恆星同其他恆星有距離的關係,我們就能像剛才解釋的那樣肯定,這個多面體包含的體積是有限的。這個多面體包含所有的恆星或所有的粒子,不管其性質如何,它們的物質已經形成。這個多面體之外什麼也沒有。宇宙看來是一個物質的氣泡,沉入虛無的海洋之中。

無物質的空間是什麼?這個問題涉及最困難、爭論得最多的哲學問題之一:什麼是空間?我們不想在如此危險的地方往前走,但我們可以看到,主要的哲學體系雖說在許多方面存在著根本的分歧,卻都是根據物質來確定空間。我們傳統的哲學認為,空間是物體廣延的一種抽象,是有形體的實體的一種偶有屬性,只能在有物質的地方被理解,無實體的定位偶有屬性是無法想像的。康德的體系通過另一條途徑得出同樣的結論。空間是現象的形式,沒有現象它就不能被想像出來。根據這兩種哲學的任何一種,我們都可以說空間在物體之中,完全虛空的空間只能是虛無,因此並不存在。

原始原子假說

勒梅特觀點 勒梅特觀點

在研究了有限但無邊界的均質空間的幾何特點之後,勒梅特對空間和物質的關係進行研究,這種關係迫使他拋棄了歐幾里得幾何。根據相對論,引力的效應之一是改變空間的特點。在太陽或恆星這樣的天體近旁,幾何就不是歐幾里得的,因為人們說空間有某種曲率。決定幾何特點和重力特點之間的這種相關的方程式包含一個參數,其重要性在行星運動這種尺度較小的現象中不會顯示出來,但在研究整個宇宙時它的作用就變得極為重要。因此,它被稱為宇宙常數(constante cosmologique)。

在相當大的尺度內,物質均勻地分布在宇宙之中。在宇宙常數和宇宙密度之間存在著一種關係。這兩個量是成正比的。既然有物質,宇宙常數就不可能是零,必然是正數。宇宙常數的值決定空間的幾何特點,宇宙常數如是正數,其結果是空間為橢圓形,另外這還決定宇宙周長。這樣,宇宙周長還同物質密度的平方根成反比。這種值得注意的關係是愛因斯坦發現的,能使我們對空間的大小有一個概念。物質密度是一種量,就可以憑經驗來認識它,即通過對鄰近區域發生的事進行觀測來認識它。“鄰近區域”,意思是十分巨大的空間,就是用研究手段能觀測到的那樣大,但同整個宇宙相比還非常小。

根據愛因斯坦所說的關係,半個宇宙周長,即空間中最大的距離,同密度的平方根成反比。按太陽每立方秒差距的密度來計算,半個宇宙周長將是二百萬秒差距。在一個五十萬秒差距的立方中平均有一個星雲,每個星雲同兩億五千萬個太陽一樣大。因此,物質密度為500/0.25等於太陽每個立方秒差距的五億分之一。計算平方根,則半個空間周長是二百萬的兩萬兩千倍,即四百億秒差距,用望遠鏡能觀測到的距離的一千倍。

勒梅特認為不必掩蓋這些估計的近似性,並提出了宇宙維度不變這個最根本的問題。另外,愛因斯坦的宇宙理論同意空間勻質的假說,這種假說非常合情合理,沒有一開始就提到這種假說,即宇宙周長不因時間而變化,換句話說,宇宙是靜止的。看來有十分明顯的跡象表明,這種非常合情合理的假說實際上並未得到證實。

原子裂變 原子裂變

荷蘭天文學家德西特發展了一種以相對論為基礎的宇宙理論,其缺點是從根本上認為宇宙不包含任何物質,但卻闡明了一種極為有趣的現象。

星系光譜線普遍紅移的現象如被解釋為都卜勒效應,則表明所有的星系都在離開人們遠去,它們離的距離越遠,退行的速度就越快。如果星雲都在離開星系,那么,這仿佛說明,星系是宇宙的中心點,具有特殊的性質。不願意接受這種結論。奇怪的是,智慧之地要用具體的特點顯示出來。它既不是恆星的局部體系的中心,也不是星系的中心,驚訝的是,它是星雲體系的中心。

這種結論看來違背了一種宇宙學原理(principe cosmologique),這種原理認為,宇宙中沒有特別好的視點,但勒梅特立刻加以糾正:只須認為,星雲在空間的布局仍然相同,但空間的性質隨著時間變化,宇宙周長是可變的,隨著時間增加。於是,兩個星雲的距離仍是宇宙周長的同一部分,因此像宇宙周長一樣增加。任何兩個星雲都相互遠離。事情的發生有點像位於肥皂泡表面的微生物看到的那樣。當肥皂泡膨脹時,每個微生物都會看到它附近的微生物離它遠去。它的樣子像是一個中心點,而且只是一個中心點。

因此,宇宙在膨脹,所有觀測都證實了這一假說,假說使思想追溯到時間的起始,並立刻就想像出宇宙的起源,當時的宇宙即使不是點狀,至少也極為稠密。原始原子假說是一種宇宙起源假說,根據這種假說,世界起源於一個原子的放射性裂變。構想原始原子均勻地充滿著半徑很小(從天文學角度來看)的空間。因此就沒有表面電子的位置。這種原子根據構想只存在了一剎那的時間,它確實是不穩定的;從它存在時起,它就分裂成小塊,這些小塊也各自分裂;在小塊之間出現電子、質子、小粒子等。因此空間的半徑迅速增大,而原始原子的那些碎片仍然均勻地充滿著空間。在空間膨脹的第一個階段,從一個幾乎是零的半徑出發沿漸近線行進,會遇到處於輻射中的速度巨大的粒子,其總能量可能在原子的單位重量能量中占據很大的部分。空間的這種迅速膨脹的結果是使輻射變弱,同時也使原子的相對速度減慢。因此,我們至少在局部上開始看到靜態平衡,即氣體雲的形成。這些氣體雲都有很高的相對速度,並與輻射混雜在一起,而輻射也已因膨脹而減弱。

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