一个天才引发的“世纪混乱”

弥尘

自爱因斯坦提出广义相对论至今，已经有100年了，在过去的一个世纪里，这个伟大的理论颠覆了我们对宇宙景象的认知。现在，就让我们重新回顾一下那些广义相对论里的关键时刻（混乱时刻）吧！

“宇宙常数”被证伪？

用最简单的话解释，这其实是一个有16个自变量、非常复杂的二阶偏微分方程组。手握方程的爱因斯坦继续脑洞大开，在1916年预言了引力波的存在。

引力波，是具有大质量的物体相互作用时产生的一种波。那么，如何证明引力波的存在？比如，月亮本来围着地球开心地转圈圈，后来人们发现它离地球越来越远。这是因为地月系统丧失了一部分能量——引力势能通过引力波将这部分能量发射到了宇宙深处。

加号后面的那一坨，就是传说中的“宇宙常数”——爱因斯坦设想的未知宇宙能量，它是一个恒量，用来保持宇宙的恒定不变。但后来人们发现，宇宙并不是恒定不变的，而是膨胀的，这就注定了爱因斯坦与宇宙常数之间会有一场相爱相杀的大戏。

1919年，亚瑟·爱丁顿在日全食过程中观察到了爱因斯坦的引力透镜效应，超大质量的太阳扭曲了时空，把光的路线都弯折了——原本藏在太阳背后看不到的星星，由于引力透镜改变了光的路径，竟然被爱丁顿发现了。

这件事之后，到了20世纪20年代，爱德文·哈勃（哈勃望远镜就是以他命名的）以及其他一些科学家表示，遥远的星系无时无刻不在和我们say byebye——这是宇宙大爆炸膨胀说的第一个线索。不仅如此，亚历山大·弗里德曼和乔治·勒梅特也分别独立发现了爱因斯坦方程的一个解。这个解描述的是一个均匀膨胀的宇宙。

至此，爱因斯坦不得不低头承认，在广义相对论方程式中加入宇宙常数是他一生“最大的错误”。就这样，爱因斯坦把宇宙常数一脚踢开，从此生死不复相见。

但爱因斯坦真的错了吗？

“宇宙幽灵”是否存在？

此后，关于相对论的研究并没有停止。抛开宇宙常数，人们有了一连串的新发现。

1930年，苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡提出，特定质量的恒星能够坍缩成密度大到“宇宙第一飞毛腿”光（速度为300000千米/秒）都无法逃离的天体——听着耳熟吗？没错，就是黑洞。

1933年，弗里茨·兹威基观察到星系团似乎正在被不可见物质的引力牵引旋转着，这是判定暗物质存在的第一条线索。暗物质，就是那种明明存在却又看不见摸不着，只能靠它们带来的引力证明自己存在的东西，黑黝黝的一团，堪称“宇宙幽灵”。

到了20世纪40年代，理论学家预言，如果宇宙是由一个致密炽热的奇点爆炸膨胀而来，应该会留下余烬：宇宙微波背景辐射。

宇宙微波背景辐射，就是宇宙大爆炸后残留的余热，就像一锅端下火炉的开水在逐渐变凉，最后残存一点温度。

1964年，美国新泽西州贝尔电话实验室。阿诺·彭齐亚斯和约翰·威尔逊在检测一个非常灵敏的微波探测器时，发现探测器不管指向何方，总会有额外的噪音。刚开始，他们以为是探测器上的鸟粪搞的鬼，后来他们发现，不管任何时间、任何方向，额外的噪音几乎都是一样的——这说明这种辐射一定弥漫于遥远的星际空间中，也不会因地球在宇宙中改变位置而有所改变。

就这样，这两个家伙竟然误打误撞地发现了宇宙微波背景辐射。这一发现，揭开了相对论的黄金时期。

暗能量华丽登场

20世纪70年代，人们又有了一系列新证据。薇拉·鲁宾提指出，大部分星系都包含暗物质，否则它们转得那么快，根本说不通啊。1972年，天鹅座X-1辐射出的X射线被发现，这成为恒星坍缩成黑洞的首个证据。

1974年，拉塞尔·赫尔斯与约瑟夫·泰勒发现了一对中子星CP，它们亲密环绕并变得越来越接近，以引力波的形式释放能量，与相对论的预测完全吻合。赫尔斯和泰勒因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

同样是在1974年，史蒂芬·霍金提出了霍金辐射的概念：量子效应能使黑洞蒸发出粒子——这说明，尽管黑洞的引力无比强大，但还是有东西能从黑洞里逃出来。

到了20世纪八九十年代，人类对宇宙有了更多、更深刻的认识。

1980年，阿兰·古斯和其他一些科学家提出，宇宙并不是一直在匀速膨胀，而是在大爆炸后的短暂时期里经历了一个高速扩张的时期，即暴胀阶段，正是这一阶段使宇宙变得平滑——就像一个瘪瘪的气球一下子充满了气，变成了鼓鼓的气球。

1989年，NASA发射了宇宙微波背景辐射探测器，观测结果也与预测吻合，进一步支撑了宇宙膨胀理论。然而，到了1998年，对遥远超新星的研究出现了出乎所有人预料的结果：宇宙正在加速膨胀。

宇宙竟然正在加速膨胀？这不科学！哪来的动力？把宇宙所有的物质都加上，再加上看不见的暗物质，这动力也不够啊——科学家们集体迷茫了。为了解释这一矛盾，科学家们只能引入明明是莫须有却必须存在的暗能量。

就这样，暗能量终于华丽丽地登场了。

实际上，到目前为止，越来越多的关于宇宙微波背景辐射的详细研究，都在不断印证以暗物质和暗能量为主的宇宙膨胀理论，科学家们也在努力寻找它们的踪迹。

2003年，意大利中部大萨山的DAMA暗物质实验室宣布，他们发现了地球在暗物质的海洋中前行的信号。可是，这一结论未能得到其他实验的核实。后来，在南极用BICEP2望远镜进行实验的物理学家声称，他们在宇宙微波背景中观察到原初引力波的痕迹，可是之后这一结论又被撤销了。

但科学们都是打不死的小强，其执着非常人可比——2008年，欧洲核子研究中心启动大型强子对撞机，目的之一就是制造暗物质粒子。2015年，美国华盛顿里奇兰市的激光干涉引力波观测站进行了一次重要的升级，其目的就是直接观察引力波这一“时空涟漪”。

现在，关于广义相对论引发的“百年混乱”可以暂时告一段落了。而我们对宇宙的了解，正是在这样的“混乱”中从未知走向已知。那么，未来相对论还将引发哪些争论和“混乱”？又将带来怎样的惊喜？让我们拭目以待。（来源：蝌蚪五线谱 责任编辑/余风）