心平气和说宇宙 （6）_风闻

原创：牧夫天文

Recently I saw a vision in a dream

There were beauty and shining stars

Underneath the endless dark

Hearing tender words with a sad story

Of a truth not easy found deep in all our hearts

                                        ——但丁之舟《A Divine Decision》

在开启今天的讨论之前，请大家先做一道初中物理题。

机翼是如何获得升力的？

初中物理告诉我们，机翼的横截面的上部分和下部分并不对称，气流在此一分为二，上面空气在相同时间内走过的路程更长一些，因此流动的速度比较快，而下面空气流动的速度则比较小。这样就有一个压强差，升力也就这样产生了。

在初中物理里，这么回答，你肯定能拿满分。

而事实上呢？这里有一个巨大的漏洞——把空气当做理想气体处理了。

理想气体，意味着，我们将完全不考虑气体分子之间的相互作用。这也意味着，空气是毫无黏滞性的。

而事实上，无论是空气还是水，都不可能完全没有黏性，否则气体和液体都将无法流动。

那么这和宇宙的年龄又有什么关系呢？

我们的宇宙从诞生的一刻开始，经历了暴胀、辐射为主、物质为主等多个阶段。所谓的暴胀，指的是宇宙在极短的时间内迅速膨胀。而辐射和物质为主，则指的是在宇宙膨胀中起着主要作用的宇宙组成成分。

关于宇宙演化的细节，我们将在之后详细讨论。

我们知道，引力，顾名思义，与电磁力最大的不同在于，引力只有吸引，而电磁力除了吸引还可以排斥。如果这个假设没有错误，那么只有吸引没有排斥的引力，是不可能让宇宙加速膨胀的。（当然引力和电磁力的区别还有很多，例如相对而言，引力要弱很多。）

根据推算，如果当今宇宙仍然是处于物质主导的时期的话，那么宇宙的年龄将是80到100亿年。而观测表明，有些古老的星团，其年龄要达到110亿年。显然，比宇宙还要老的天体是不可能存在的。这就引发了宇宙年龄问题。

随着宇宙加速膨胀的观测证据越来越多，人们意识到可以通过引入暗能量来使得宇宙加速膨胀。根据假设，暗能量的压强为负，也就是说，暗能量在推动着宇宙的加速膨胀。

引入了暗能量后，理论推导的宇宙年龄大约是135亿年左右，宇宙年龄问题也就得以解决。然而，轻易就被解答的问题，往往没那么简单。不久之后，又有天体大于宇宙年龄的发现，例如，类星体08279+525。这时候又该如何解决呢？

理论物理学家们给出的答案之一是——黏性流体。

回到一开头我们提到的问题上。事实上，飞机之所以有升力，与气体的黏性也是分不开的。而现实中是没有理想流体或者气体的，因此，在考虑宇宙学问题的时候，我们也可以引入黏性流体。引入黏性意味着，物质的衰减速度也被延缓，这样计算起来，宇宙年龄问题就可以得到缓解。

天文爱好者经常把暗物质和暗能量放在一起，但是实际上，这两位除了都姓“暗”之外，并没有多少直接联系。但是这不代表科学家们不会把他俩联系到一起，就好比两个同姓的人套近乎，经常说“五百年前是一家”这样的话，有一些模型认为，暗物质和暗能量在早期的宇宙里是统一的，随着宇宙演化才逐渐变成今天的样子；另外有些模型则认为，这两者之间存在着微弱的相互作用。

我们今天通过宇宙年龄的问题，引入了黏性流体、暗能量、宇宙加速膨胀、宇宙的演化等很多概念。从后面的推送开始，我们将从大爆炸出发，讨论一下宇宙演化的细节。由于今天所讲的东西需要用很多公式来解释，因此我们点到为止，大家也不必深究背后的计算细节。

除了黏性流体之外，科学家们还有很多方法来解决这些问题，例如引入修改引力理论，或者引入暗物质和暗能量彼此之间的相互作用等等。

科学的发展往往也是如此，提出一个有意义的问题，往往比解决问题更有价值。

讲到这里，小编想起了一个牛顿的故事。我们不妨简单讨论一下牛爵爷。

在牛顿已经成为公认的科学界领袖之后 ，曾经有人问他：“牛大爷，请问地球的年龄是多少呀？”

牛顿的回答是，他根据《圣经》推算，地球大概是6000岁。

这个荒谬的回答如果放在今天，那么估计只能出自疯子或者傻子之口。显然，问牛顿宇宙多少岁，他也没法回答，只能利用《圣经》估计。

但是我们需要承认一点，在牛顿那个年代，无论是物理、天文知识，还是考古研究，都远不及今天。这并不妨碍牛顿成为科学史上最伟大的人，无论是作为数学家还是物理学家，他都做到了顶尖中的顶尖。

和爱因斯坦相比，老爱在研究广义相对论的时候，由于大学时候经常旷课，以至于不得不求助于好哥们格罗斯曼，后来又和大数学家希尔伯特共同研究引力场方程。而牛顿则是逢山开路遇水填桥，没有数学工具，就干脆自己造一个（跨时代对比难免有吹黑哨的嫌疑，这里仅仅举个例子）。时至今日，牛顿的三大定律依然用途广泛。而研究天体物理时候，依然有“后牛顿近似”、“牛顿极限”等向老牛致敬的研究方法。古代的谥法里，最美的谥号是“文”。

《论语·先进篇》里也提到“文学，子游，子夏”。这里的“文学”和今天所理解的“文学”不一样，而“文”是一个通假字，通“纹”。

《易经》云：“河出图，洛出书，圣人则之。”牛顿在这里就好比这位圣人，通过观测，实验等，总结出最精美，最简练，却几乎能够描述世间万物的自然规律。他是一代宗师，他是奠定了整个物理学研究方向的人。如果英国佬也按照中国古代谥法给牛顿谥号的话，必是“文”。

话说回来，牛顿对宇宙学又有哪些贡献呢？我们之前提到了弗里德曼方程，这是一组描述宇宙膨胀规律的方程。而实际上，不用广义相对论，仅用牛顿力学，也可以推导出这些方程（尽管应用价值没有广义相对论那么大）。

读到这里，胡克、惠更斯等人含泪点了举报。

『天文时刻』 牧夫出品

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