甩不掉的錯(cuò)誤

1917年初，愛(ài)因斯坦發(fā)表了一篇后來(lái)頗令他后悔的文章，題目是《廣義相對(duì)論的宇宙學(xué)探討》。

他在這篇文章中修正了自己在一年多前費(fèi)盡心思才找到的重力方程式。他在1916年初曾經(jīng)向好朋友艾倫費(fèi)斯特說(shuō)：“想象一下，當(dāng)我發(fā)現(xiàn)一般性的坐標(biāo)協(xié)變是可能的，而且方程式可以得到水星近日點(diǎn)正確的運(yùn)動(dòng)時(shí)是多么的喜悅，有好幾天我興奮得不能自己。”愛(ài)因斯坦很有自信地認(rèn)為，任何人只要了解方程式的意義，就會(huì)知道它是正確的。既然如此，他一定有不得不做的理由，才會(huì)要去更正原先優(yōu)美的方程式。

愛(ài)因斯坦的動(dòng)機(jī)是這樣的：他原先認(rèn)定宇宙應(yīng)該是封閉而且靜止的，因?yàn)橐粊?lái)宇宙“看起來(lái)”的確是靜止的；二來(lái)宇宙如果是封閉的，就不需要額外的邊界條件，不然“邊界條件會(huì)要求選擇一明確的坐標(biāo)參考系，違背了相對(duì)論的精神”。

但是在封閉的宇宙中，相吸的重力終究會(huì)讓所有的物質(zhì)與時(shí)空都崩塌在一起，所以他無(wú)法從原來(lái)的重力方程式中解出靜止且封閉的宇宙來(lái)——除非設(shè)法提供一種全新的宇宙排斥力來(lái)抵擋重力。因此，愛(ài)因斯坦就在方程式中加入了一項(xiàng)“宇宙項(xiàng)”以獲得排斥力；“宇宙項(xiàng)”包含了一個(gè)宇宙常數(shù)，我們只要調(diào)整這個(gè)常數(shù)就可以平衡重力與宇宙排斥力，而得到靜止且封閉的宇宙。

然而愛(ài)因斯坦是錯(cuò)的：宇宙既不靜止也不必封閉。1929年，天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處星系所發(fā)出的光有紅外移的現(xiàn)象，

這是宇宙在膨脹的跡象。同時(shí)理論學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，原先沒(méi)有包含“宇宙常數(shù)項(xiàng)”的愛(ài)因斯坦方程式，本身就可以描述膨脹中的開(kāi)放宇宙。所以愛(ài)因斯坦在《相對(duì)論的意義》一書第2版中，就說(shuō)：“如果‘哈勃膨脹’在廣義相對(duì)論出現(xiàn)的當(dāng)時(shí)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，‘宇宙項(xiàng)’就不會(huì)被引入了?，F(xiàn)在看起來(lái)，根本沒(méi)有什么道理得在方程式中加上這么一項(xiàng)，因?yàn)樵任ㄒ坏膭?dòng)機(jī)——自然地解決宇宙問(wèn)題——消失了?！睈?ài)因斯坦本來(lái)對(duì)于“宇宙項(xiàng)”就覺(jué)得不自在，他早在1919年時(shí)就承認(rèn)過(guò)“宇宙項(xiàng)”嚴(yán)重地破壞了理論的形式之美。

因?yàn)椤稖战饓?mèng)游記》《一二三……無(wú)窮大》等科普書而廣為人知的名物理學(xué)家加莫，在他的自傳《我的世界線》里說(shuō)：“愛(ài)因斯坦多年前對(duì)我說(shuō)宇宙排斥力是他一輩子所犯最大的愚蠢錯(cuò)誤?！?/p>

如果回頭反省宇宙常數(shù)的意義，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它所代表的是所謂的真空能量。這種能量的特點(diǎn)是它的能量密度不會(huì)隨宇宙體積增加而降低，這樣的特性和其他我們熟悉的能量形式，如輻射(光子)能量和一般粒子能量都不一樣，這類正常的能量密度會(huì)隨宇宙膨脹而下降。就是因?yàn)檎婵漳芰康男再|(zhì)怪異，它才能夠提供不尋常的宇宙排斥力。

雖然愛(ài)因斯坦毫不猶豫地拋棄了“宇宙項(xiàng)”，其他人反而認(rèn)為如果暫且放下主觀的“美感”不論，“宇宙項(xiàng)”還是有其可取之處，起碼它是唯一的一項(xiàng)可以加進(jìn)愛(ài)因斯坦方程式，而不至于破壞對(duì)稱性和其他已知的限制。所以天文學(xué)家托曼就認(rèn)為應(yīng)該把宇宙常數(shù)當(dāng)成是理論參數(shù)，它的大小得由實(shí)驗(yàn)決定，不必急著認(rèn)定它為零，而將“宇宙項(xiàng)”丟掉。

天文觀測(cè)學(xué)家終于說(shuō)話了，依據(jù)他們最新的數(shù)據(jù)，宇宙常數(shù)的確不是零。簡(jiǎn)單地說(shuō)，他們觀察到宇宙正在加速膨脹，證明了宇宙排斥力的存在。理論分析發(fā)現(xiàn)真空能量密度不但不是零，反而占了現(xiàn)今宇宙能量密度的最大部分——約70％!如果愛(ài)因斯坦知道這個(gè)結(jié)果，不曉得會(huì)有多么驚訝。除了真空能量的貢獻(xiàn)，我們熟悉的能量形態(tài)只占約4％，其他25％的能量來(lái)自現(xiàn)在還不甚了解的所謂“暗物質(zhì)”。當(dāng)我們看著閃亮的星系時(shí)，得了解其實(shí)它是包裹在看不見(jiàn)的“暗物質(zhì)”里。5年前，沒(méi)有人可以想象宇宙95％以上的能量形態(tài)是我們完全不了解的。這是近年來(lái)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，愛(ài)因斯坦“最大的錯(cuò)誤”可能翻身變成他最大的成功嗎?