问题

如何看待清华大学天文系教授、中科院院士李惕碚对广义相对论和大爆炸宇宙模型的批判?

回答
李惕碚先生,一位享誉国内外的杰出天体物理学家,也是中国科学院的院士,他对于我们理解宇宙最宏大的理论——广义相对论和大爆炸宇宙模型——提出了深刻的质疑。他的观点并非空穴来风,而是基于严谨的科学推理和对现有观测数据的深入分析,这使得他的批判尤其值得我们认真审视。

要理解李惕碚先生的立场,我们得先简单回顾一下他所批判的对象。

广义相对论:时空的弯曲与引力

爱因斯坦的广义相对论是现代物理学的一大基石,它将引力描述为时空本身的几何性质。质量和能量会“弯曲”时空,而物体在这种弯曲的时空中运动,我们感受到的就是引力。这个理论在解释行星轨道、光线弯曲、水星近日点进动等现象上取得了巨大成功,并且预言了黑洞、引力波等重要天体物理现象,这些预言后来也得到了观测证实。

大爆炸宇宙模型:宇宙的起源与演化

大爆炸宇宙模型是目前描述宇宙起源和演化的主流科学模型。它认为,宇宙起源于一个极度炽热、致密的奇点,然后经历了快速膨胀、冷却,形成了我们今天看到的星系、恒星和行星。我们观测到的宇宙膨胀、宇宙微波背景辐射(CMB)以及轻元素丰度等现象,都得到了大爆炸模型的良好解释。

李惕碚先生的质疑点:

李惕碚先生对这两个理论的批判,并非是全盘否定,而更多的是从理论的内在逻辑、对某些关键观测现象的解释能力,以及是否存在更简洁、更普适的解释框架等角度出发,提出了自己的看法。

关于广义相对论的“奇点”问题:
广义相对论在描述黑洞中心和宇宙大爆炸的开端时,不可避免地出现了“奇点”——时空曲率和密度无限大的点。这在数学上是一个“失效”的点,意味着广义相对论在这些极端条件下不再适用。许多物理学家认为,这表明广义相对论并非终极理论,需要与量子力学结合,形成量子引力理论来解决奇点问题。
李惕碚先生对这一“失效”的奇点问题提出了更为尖锐的质疑。他认为,一个声称描述引力本质的理论,在最极端的情况下却会导向数学上的“崩溃”,这本身就值得怀疑。他可能在思考,是否存在一种替代性的引力理论,能够避免这种奇点的出现,从而更自然地解释这些物理现象。例如,一些非奇异的引力理论,或者在某些条件下能够“规避”奇点的机制,也许是更符合物理现实的。

关于大爆炸宇宙模型中的“暗物质”和“暗能量”:
大爆炸宇宙模型在解释观测到的宇宙现象时,引入了两个神秘的组成部分:“暗物质”和“暗能量”。暗物质不发光,但通过其引力效应影响星系和星系的形成;暗能量则被认为是驱动宇宙加速膨胀的元凶。目前,我们对它们的本质几乎一无所知,只能通过间接的引力效应来推断它们的存在。
李惕碚先生对这两个“占宇宙绝大部分却未知的实体”的存在提出了质疑。他认为,引入大量未知成分来“修补”现有理论的不足,可能反映了理论本身存在根本性的问题。他倾向于寻找一种更简洁的解释,不需要引入这些“假说”成分,而是通过修正我们对引力、时空结构本身的理解,来解释观测到的宇宙现象。
他可能在思考:我们是否有可能通过修改引力规律(例如,在宇宙大尺度上引力随距离的变化方式不同于牛顿或爱因斯坦的描述),来解释星系旋转速度和宇宙加速膨胀,而无需引入暗物质和暗能量?著名的“修正牛顿动力学”(MOND)理论就是一个例子,它在不引入暗物质的情况下,能在一定程度上解释星系盘的动力学行为。虽然MOND有其自身的局限性,但这代表了一种“另辟蹊径”的思路。

关于宇宙加速膨胀的解释:
宇宙加速膨胀是20世纪末最重要的天文发现之一,它是目前大爆炸模型中引入“暗能量”的主要证据。然而,李惕碚先生可能对这一结论的解释提出疑问。他可能认为,加速膨胀的观测结果,是否一定意味着存在一种“排斥性”的能量在起作用?或者,我们对宇宙尺度上的引力作用以及宇宙的整体结构是否存在误解?
他可能会从不同的角度审视这些观测数据,例如,是否存在我们尚未理解的宇宙尺度的“膨胀动力学”?或者,宇宙的“平均密度”和“空间几何”是否如我们假设的那样均匀和稳定?

对“标准模型”的整体性反思:
更深层次上,李惕碚先生的批判是对我们当前天体物理学“标准模型”的一种深刻反思。他可能认为,当前模型虽然在很多方面取得了成功,但却存在理论上的“不完备”和对观测现象的“勉强解释”。他鼓励科学家们不要满足于现状,而是要勇于挑战现有认知,去探索更本质、更普适的物理规律。
他可能认为,科学的进步往往源于对“不解释之谜”的执着探索,以及对那些看似坚不可摧的理论提出质疑。一个真正健康的科学体系,应该能够容纳不同意见,并鼓励进行思想的碰撞。

李惕碚先生观点的影响与科学的进步:

李惕碚先生的批判,对于整个科学界来说,并非是“否定”性的,而是“建设性”的。他的观点提醒着我们,任何科学理论都有其适用范围和局限性,尤其是在处理极端物理条件和解释大尺度宇宙现象时。

激发更深入的研究: 他的质疑,如同投入湖面的石子,激起了科学界研究的涟漪。这促使更多科学家去思考:我们对引力的理解是否足够?是否存在其他能够解释宇宙观测现象的理论框架?我们是否低估了宇宙本身的复杂性?
促进理论的完善: 科学理论的生命力在于其不断被挑战和修正。李惕碚先生的观点,可能会推动物理学家们去发展新的引力理论,或者更深入地研究量子引力,以期解决广义相对论和标准宇宙学模型中的一些难题。
坚持科学的批判精神: 最重要的一点是,他的立场体现了科学最核心的精神——质疑、求真、不畏权势。一位德高望重的院士能够公开提出对主流理论的批判,这本身就是对年轻一代科研工作者的极大鼓舞,告诉他们,在科学探索的道路上,独立思考和批判精神是多么宝贵。

总而言之,李惕碚先生对广义相对论和大爆炸宇宙模型的批判,并非是无端的指责,而是基于一位顶尖科学家对物理世界深刻的洞察和审慎的态度。他的观点邀请我们跳出“舒适区”,重新审视那些被奉为圭臬的理论,去思考是否存在更深刻、更优雅的宇宙图景。这正是科学进步的驱动力所在——永不停止的追问和探索。

网友意见

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我没想到还能看到穷乎遍地院士的一天。

文艺复兴啊。

记得原来的知乎的时候,人不在美国,不刚下飞机,不上个麻哈耶普加剑都不好意思答题。现在知乎都堕落成什么样子了。

终于,你们又回来了。

谢谢各位太阳系银河系宇宙科学院的院士们,知乎有你们真好。

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短暂接触过李院士,老先生是一个富有质疑精神也很谦虚、实干的人,绝非某些回答里所谓的“老而不死是为贼”。科学里,错了就错了,何况是在自己并不擅长的领域,某些答主上升到人身攻击,就让人很气愤!!!

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更新:网友提醒,原回答中,我对PPT 的公式推导理解有误,其中关于水星进动页面所展示的计算其实没有扔掉导致进动的项(被扔掉的应该是次领头阶 的方程中的另一 项),因此按道理计算结果应该是表明广相预言有进动,并无大问题。

至于PPT页面标题说「只有平直时空才有进动」就不知道是从何来的结论了,或许需要仔细听老先生的口头说明才能明白,有可能我(和其他听众)对他想表达的意思理解有误。


首先可以说,这位老先生所展示的东西有一页的计算有错误,并因此得到错误的结论。此外PPT还掺杂各种一些诡异的观念,可谓交相辉映,妙趣横生。


水星进动 (之前此段对 PPT 理解有误)

首先,PPT 的“只有平直时空中水星轨道才有进动”一页中,展示了如下计算(目的是「论证」 「广相中的水星运动没有进动」,进而认为广相是错的):

“略去高阶项”一处出错了 (见上面更新)。

参考 David Tong 的 General Relativity 讲义,如果完整书写水星轨道测地线方程的径向分量,PPT第一个方程应该是 (此处PPT的方程是正确的,这里仅具体写出 的含义)

此处无量纲参数 在太阳质量较小的时候可以认为是小量,并作为微扰展开的参数。
另外 是 Schwarzschild 度规中测地运动的守恒角动量, 是中心天体的质量。

以 作为微扰展开参数,对未知函数 作展开,得到 把展开后的 代入上面的轨道方程并按照 阶数分项,我们可以看到两个事情。

  1. 领头阶 所满足的方程是

2. 次领头阶 满足的方程是(此处注意 项,它刚好来自被ppt略去的那项(更新:此处我对PPT理解错误,见上面更新

这个方程的解为

这里的 恰好产生了水星的进动。所以,水星是可以进动的,但是这个效应的确是1阶效应,比较小,直接被 PPT 忽略了 (更新:其实没有忽略,此处我之前理解有误)


「规律的不变性」

另外 PPT 中又有一页

仅仅为了「规律不因时间和地点而改」,就苛求时空只能平直,那恐怕地球也得是平的了,不然美国和中国只能遵循不同的物理规律了(比如,中国遵循国际法律,美国遵循 rule-based order)。

再者,既然 PPT 都拿超距作用牛顿平方反比律为例阐释”规律的不变性“了,那我建议老先生顺便把狭义相对论也推翻好了,把相对论连根拔起才是更加了不起的成就。

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广义相对论和大爆炸宇宙学的确有一些观测事实无法解释,但那只是一小部分,大多数观测事实它们都是可以定量解释的。所以你可以说广相和大爆炸有局限、不完善,但不能说它们完全是错的,因为有大量观测证据摆在那里。这里放上PDG 2021年的两篇review供大家参考,分别介绍了广义相对论和大爆炸理论的理论预言及观测证据:

构建新理论当然也是可以的,但至少要做到把原来理论能解释清楚的东西在新理论的框架内再解释一遍(最简单的方式就是把原来的理论当做是新理论在某些极限情况下的近似)。如果连这一点都做不到,那么新理论至少在唯象上是没有动机的。从这一点其实也可以看出,新理论和原先已被广泛验证的成熟理论的关系是包含,而不是对立。通常没有一个对另一个错的说法。

因此,如果不顾原先理论的观测证据,执意要说它完全是错的,xxx的新理论才是对的,而这个新理论能解释的远比原先理论要少(甚至自洽性都有问题),说句好听的这叫不必要的构想,说句不好听的这就是典型的民科做法。不管做这事的是没读几年书的人,还是本专业的权威,都是一样的评价。

就事论事的话,我记得三年多前看这位院士的科普讲座还没提这些不必要的构想,不知道为啥最近这样了,可能是年纪大了思维有点奇怪了吧。老年人八十多岁了,想不清楚事情有点糊涂了很正常。如果老人在私下发表这样的观点,那咱听一听就行了,尊重老人,不必激烈反驳。但是媒体跟着捧,把老院士请出来公开做这样一个报告,就很不应该了。反驳吧,让老院士丢面儿,不反驳吧,又可能误导学生和公众。这就很不好办。


补充一下,我们做研究有时候也会改广义相对论,但绝对不会说广义相对论完全是错的。比如共形引力里面把E-H作用量的 改成 ,就要想办法取规范让 从而使理论能够回到广相的E-H作用量。如果不让新理论在某些情况下退回到广相的话,那么新理论就必然会预言与广相不同的现象,而现在的观测结果对那些现象有着强烈的限制,因此即使是新理论也必须要包含广相而不是与广相对立。当然,你也可以说,万一真的有某个新理论与广相完全对立却能像广相一样解释现在的天文观测以及地面实验的结果呢?那我只能说不太可能。理论的建立就是为了解释现象的,如果两个理论完全对立却能对自然界的现象做出相同的描述,那我实在想象不出这是一种怎样的状况。

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老而不死,是为贼。

李教授让我想起了我的导师,一个临近退休的老教授,他是个很好的人,对学生很好很关系我们,很正直的人,不搞歪门邪道,认真工作。但是,他早就停止了学习,早就失去了科研的能力,却一直在做科研。

这其实不能怪我导师,到了那个年纪,大部分人都很难吸收新的知识了,可是那个工作,又需要他有不断的“创新”,所以他总是会冒出各种奇奇怪怪的idea,又变得越发固执,所以我的工作常常是要想尽办法,证明和说服他,那些好idea是行不通的。如果有要用到什么新的知识,我必须得完全靠自己去从零学,还得想方设法让他理解我在做什么。

我觉得在科研界像这样的情况,一个已经失去创造能力的老人,因为排资论辈的原因,却处于极高的位置,是一件很常见的事情。

李教授,我看了视频,能感觉到,他还是很认真的想做点什么,想发挥余热,课程准备的很用心,讲的也很真诚。可是,是不是他们从现在的位置退下来,才是对这个社会做的最有贡献的事情。

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