爱因斯坦的最大错误？

■赖昭正

爱因斯坦的最大错误？

■赖昭正

如果你相信2011年三位诺贝尔物理学奖得主所观测到的结论，那爱因斯坦自认为最大的错误，可能是他在理论物理上的另一巨大贡献！

你知道爱因斯坦一生中所犯的最大错误是什么吗？凑答案！在完成创世巨著《广义相对论》后不久，他发现由该理论所导出的宇宙观竟然与当时物理学家（包括他自己）所接受的不同，于是爱因斯坦人为地在他的方程式里加了一项常数，使其结果能符合当时的宇宙观！没想到12年后，天文学家发现当时的宇宙观根本就是错的！爱因斯坦非常后悔地悄悄将那个常数从其笔记本上擦去，并说这是他一生中所犯的最大错误！可是该常数却阴魂不散，在爱因斯坦去世多年后重新登上舞台，成为今日探讨宇宙历史的主要工具。

20世纪前的宇宙观

宇宙的起源、历史与结构，在16世纪以前，一直被认为是属于宗教与哲学的范畴。因此哥白尼只敢在去世前夕出版地球绕日的理论书，开创了近代天文的研究。约百年后，伽利略改进了望远镜，并将其镜头转向天空，开启了观测天文之门，并大力支持哥白尼地球绕日的理论。

400余年来──尤其是20世纪后，科学家在了解宇宙的性质与演化上已有非常快速的进展！有关创世纪或盘古开天辟地到底是什么时候发生或如何发生的问题，科学家不再需要依靠信仰来解决，已可以用科学仪器去“看”宇宙像什么样子及如何演化。像这类大哲学的问题已不再是信仰的争论，而是证据与理论的问题——正如其他科学探索一样。

哥白尼粉碎了地球为宇宙中心的幻想后，慢慢地，天文学家了解到太阳也不可能是宇宙的中心。以人为主的宇宙观一旦破灭，科学家再没有任何理由认为我们身处的地方在宇宙中占了一个很独特的地位，同样，我们身处的时刻也没有理由是个很特殊的时刻。宇宙永远就是那样存在着，它没有开始，也不会有终结——因为如果有开始，那显然就应有创造者，这不是太宗教了吗？

广义相对论

爱因斯坦在1905年所发表的狭义相对论，虽然震撼物理界，完全改变了物理学家对时间及空间的观念，但很遗憾地不能适用于牛顿的万有引力。经过10年的苦思与奋斗，他终于在1915年完成了他的广义相对论，弥补了这一缺失。爱因斯坦完成这一理论后，立即用它来计算水星绕日的轨迹，解决了牛顿引力理论无法解释的“水星绕日轨迹慢慢变化”的困惑。他更用其广义相对论，预测了光线在经过太阳附近时，会因该处时空变形（因太阳引力的关系）而弯曲。在1919年的日食里，英国天文学家爱丁顿爵士测得了星光经太阳附近后的弯曲，发现其值与爱因斯坦理论计算出来的完全符合！瞬间，全世界报纸竞相刊登这一理论，爱因斯坦一夜之间成了全世界家喻户晓的名字！

爱因斯坦的广义相对论阐释了物体如何改变其周遭的时空几何、及后者又如何反过来决定物体该如何运动，而宇宙充满了物体，因此广义相对论立即成为探讨宇宙的工具。

爱因斯坦当然也在思考宇宙的问题。一个充满星球的无限宇宙在逻辑上是有问题的：任何一点均应感受到无限大的重力及天空不应是黑暗的。可是一个悬挂在空间的有限宇宙也是有问题的：宇宙外的空间又是什么呢？左思右想，爱因斯坦于1917年2月提出了一个连他自己都认为可能被关到疯人院的第三个宇宙结构：没有边界的有限宇宙。爱因斯坦举的例子就是生活在二维球面上的怪人：他们生活的球面是有限的，但却没有边界（上下对他们来说是没有意义的）。这种宇宙观虽然奇怪，但是符合逻辑，在数学上也是完全可能的！但他的方程式却说这样的宇宙只能膨胀或收缩，这与当时大部分科学家所认为的静态宇宙观相冲突！没想到的是，推翻了深植物理学家心中达200余年之久的牛顿时空观念的革命壮士，竟然在这里屈服了：为了符合当时的想法，他在其宇宙论加入了一个具有排斥力的宇宙常数来平衡万有引力，使他的宇宙能保持静态！

膨胀中的宇宙

1929年，美国天文学家E.哈勃发表了一些有关从遥远星系传来的光谱的测量结果，其频率分析显示其光谱线很有系统地向红色方向位移，其值随星球距离的增加而加大。显然，遥远星系是依一定的规则在远离我们：距离我们越远，后退速率越快。

这一发现得出的无可避免的结论是：宇宙处于一种正在膨胀的状态！这个完全出乎意料的发现，改变了宇宙论研究的整个面貌！如果爱因斯坦在1917年时不追随风尚，而是坚持相信自己相对论的结果，再次大胆地做宇宙膨胀（或缩收）的预测，其大名相信将再次在全世界各大报纸杂志出现。可惜啊！怪不得他自叹那是他一生中所犯的最大错误！

一个膨胀的宇宙是一个正在改变的宇宙，因此应该具有生命的历史，甚至可能有出生与死亡。事实上早在1922年，俄国数学家A.弗里曼就已用广义相对论去建造膨胀宇宙的各种数学模型：当年，他静静地发表了他的研究结果，这些模型到现在仍被用来作为讨论宇宙论的基本理论架构。这些模型的两个重要特征是：①膨胀率随时间缩小；②虽然现在我们所观察到的星系均相互越离越远，但在过去它们一定曾经非常接近过。依现在为大部分科学家所接受的标准大爆炸宇宙论，现在的宇宙年龄大约是140亿年。

我们虽然对140亿年前宇宙结构的细节非常不清楚，但大部分科学家均认为宇宙是由“一个时空特异点”突然大爆炸而出现的——虽然物理学家尚不知道可用于该特异点的理论。爆炸前的宇宙处于一种高度均匀、非常高温及高辐射能密度的状态，它爆炸后快速膨胀而冷却，于是基本粒子、氢、氦、离子电浆、冷气体、星群、恒星、太阳及地球相继出现，形成我们今天所看到的宇宙。大约在大爆炸后38万年时，辐射能的能量因宇宙膨胀而降低到不足以使氢原子离子化，因此成了“孤魂野鬼”，游荡在太空中。而这一所谓的微波背景辐射也在1964年被发现，成为支持宇宙大爆炸论的最有力的实验证据！

标准大爆炸的几个谜题

我们在前面曾提到大爆炸前的宇宙是均匀的。事实上，微波背景辐射的数据显示，现今的宇宙不但也是均匀的，其均匀度更高达万分之一。这种均匀性当然是从大尺度来看的，正如桌面在显微镜下虽然凹凸不平，但在肉眼下却是平滑的一样。可是为什么这么均匀呢？最简单与合理的解释当然是大爆炸后的瞬间即是如此。可是问题出来了：如果宇宙的生命只有140亿年，而其直径却至少在9300亿光年以上，那相距在140亿光年以上的两个不同区域，如何能互通信息与能量从而达到平衡（均匀）状态呢？当然，宇宙在大爆炸之初并没有这么大，可是前面提过，弗里曼宇宙模型的一个特色便是膨胀速率越来越慢，如果现在不可能互通信息，那以前（大爆炸后不久之时）更不可能了！

第二个问题是：为什么我们宇宙的空间几何是这么的“平”呢？根据广义相对论，空间几何的曲度取决于质量密度（单位体积内质量和能量的总和），因此如果大爆炸前的质量密度正好就是形成曲度为零的空间所需之值，那大爆炸后其曲度还是会保持在零值的。问题是，如果大爆炸前的质量密度有千分之一的误差，那么现在的误差便可高达千亿分之一！测量宇宙的质量密度当然不是一件简单的工作，但所有的数据均显示现在宇宙的质量密度误差绝对没有那么大！这意味着大爆炸前的质量密度恰巧精确在形成“平”空间所需的临界值——但怎么那样巧呢？还有，到底是什么促成了大爆炸呢？

宇宙常数

1979年12月，美国基本粒子研究者A.古士突然心血来潮，怀疑他的研究——超冷的希格斯场——或许也适用于宇宙论。通过进一步探讨，他发现其超冷希格斯场所具有的能量及负压比，正与爱因斯坦强行加入其宇宙论的宇宙常数一样！我们前面提过此常数是爱因斯坦用来平衡引力作用的人为常数，本来应该是没有什么物理意义的，但从其在数学式子中所占的位置，G.拉麦崔（比利时牧师及天文学家，大爆炸论的创始者）看到了其代表的物理意义：均匀地分布于空间的一种奇怪能量。爱因斯坦并未提出这一能量的可能来源，但分析显示它绝不是我们所熟悉的电子、质子或辐射能等。

在牛顿力学里，重力的来源只是质量；爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，能量也是一种质量，因此在广义相对论里，能量也会产生物质相吸的引力效应。事实上不只如此，广义相对论里还有第三种重力来源——压力！更奇怪的是，如果压力为正，则可造成相吸的重力效应；如果为负，则可造成相斥的重力效应。后者的负内压，正是爱因斯坦用来平衡引力，从而达到静态宇宙观的方法！

膨胀宇宙论

古士的研究显示，如果当初宇宙充满了被称为膨胀子的希格斯场，则在慢慢膨胀并冷却下来时，这些膨胀子可能被困在一种能量不为零的非常不稳定的超冷状态。这种状态的膨胀子因具有负内压，可以提供非常强大的斥力，促成瞬间非常巨大的膨胀。但因这一状态非常不稳定，膨胀只维持了大约10-35秒，而在这期间，宇宙膨胀率随着时间而急速加快！这一巨大、迅速加速的膨胀不但能解释为何现今的宇宙是如此的均匀，而且还告诉我们现今所观测到的宇宙，事实上只是整个宇宙中非常小的一部分！这又说明了为什么现今观测到的宇宙是平的——正如大球表面上的一个小面积看起来是平的一样！哇！这一偶然发现一下子解决了宇宙大爆炸论的三大谜题！

在宇宙大爆炸理论里，因为只有引力的关系，认为除了大爆炸那一瞬间外，宇宙的膨胀速率一直都是随时间而减缓的。而古士的研究则认为大爆炸不是瞬间的，而是持续了大约10-35秒。不仅如此，他还认为在大爆炸的过程中，膨胀速率是随时间而急速越来越大的，因此宇宙变得非常、非常巨大！在大约10-35秒后，这一大爆炸才停止，膨胀子才放出其多余的超冷能量，产生我们现今所看到的一般物质与能量。在此之后，宇宙的膨胀速率才因引力的关系恢复到其越来越小的正常状态！天文学家将这一改良的标准大爆炸宇宙论称为膨胀宇宙论，是现今绝大部分科学家所接受的宇宙论。

不仅如此，膨胀宇宙论还解决了标准大爆炸宇宙论里一个令人头痛的大问题，即前面提过的爆炸前的质量密度必须非常精确地接近某一临界值，否则今日可观测宇宙的曲度便不可能为零。膨胀宇宙论不但没有这个要求，事实上它还预测了现在宇宙的质量密度应该非常接近这一临界值！可是各种数据显示，今日所观测到的宇宙，其质量密度大概只有膨胀宇宙论预测值的5%！

早在20世纪30年代，美国加利福尼亚州理工学院的科学家朱伟基便从星群的运动中，怀疑到宇宙中尚存在其他看不到的暗物质！科学家也像世人一样喜欢追风随俗，一旦有人提出暗物质，其存在的证据便开始排山倒海般出现，只是到现在还没有人“看到”它到底是什么东西！据估计，这些看不见的暗物质大约可以提供临界质量密度的25%，再加上可看到的5%的已知物体，显然我们还差70%才可解释为何我们的宇宙空间几何那么平的问题！

宇宙中的暗物质与暗能量

1998年，美国加州大学伯克利分校的波麦特团队、澳洲国家大学的施密特与美国约翰霍普金斯大学的李斯团队，相继宣布超级新星la型的数据显示，在大爆炸后的70亿年，宇宙的膨胀速率又再次加速了！这一发现再次重写了人类对宇宙演化的看法，因此诺贝尔奖委员会决定将2011年的物理学奖颁给这三位大胆的科学家。但牛顿引力只有相吸的作用，因此要解释这一加速膨胀，看来又得求助爱因斯坦的宇宙常数了！不错，波麦特及施密特认为：在大爆炸后，宇宙靠大爆炸时的冲力而继续膨胀，但因万有引力的关系，膨胀速率将越来越慢；可是如果真有爱因斯坦的宇宙常数，则因其排斥强度不会随宇宙膨胀而降低，它总有一天会强过万有引力，使宇宙的膨胀速率由减速再次变成加速！这一时间显然就是大爆炸后约70亿年时！详细分析加速数据显示，他们所需要的宇宙常数的值所代表的质量密度，正好是膨胀宇宙论所要寻找的那70%！看来，爱因斯坦的宇宙常数是真的存在，而不是爱因斯坦所犯的最大错误了？！

可是如果真的存在，这些现今被称为暗能量的爱因斯坦宇宙常数到底是什么东西呢？拭目以待吧，物理学家及天文学家正在努力地寻找这一充满宇宙并且必须具有负内压的怪物呢！

如果真有暗能量存在，那是不是得改写牛顿万有引力及爱因斯坦相对论呢？幸运的是：由暗能量所造成的排斥力是与体积成正比的，在类似太阳系这样“小”的体积下，暗能量的效应是完全可以忽略不计的。

结论

为了符合当时的静态宇宙观，爱因斯坦于1917年强行在其广义相对论导出的宇宙观中加入一个被称为“宇宙常数”的人为常数。1929年，新数据显示宇宙不是静态，而是在膨胀中，爱因斯坦因而后悔当初为何不相信自己的推论，称他那宇宙常数为一生中所犯的最大错误。20世纪80年代末，膨胀宇宙论却借助宇宙常数，解释了当时广为科学家所接受的标准大爆炸宇宙论中的三个谜题。20世纪90年代末期，新的发现显示现在宇宙的膨胀速率不是随时间减小，而是加大，宇宙常数又再次提供了解释膨胀速率加快所需的斥力的来源──虽然我们还不知道那所谓的暗能量是什么！当然，我们也不知道爱因斯坦的在天之灵是否还认为宇宙常数是他一生中所犯的最大错误？

（张小宁插图）