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，后參軍服役。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。

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）。 .

宇宙起源

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抵觸。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，這些其他原因要麼不能闡明觀測到的所有效應，要麼使人預見到一些至今尚未觀測到的效應。

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，如果連接這兩個恆星的一條線是有限的長度，那麼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，那麼，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？

可以設想一個凸多面體，其頂點有最後幾顆恆星，多面體里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象的。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象出來。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。

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，物質均勻地分佈在宇宙之中。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。

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多普勒效應，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，那麼，這彷彿說明，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，並立刻就想象出宇宙的起源，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。設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。這種原子根據設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佔據很大的部分。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。