APP 愛因斯坦提出廣義相對論后，科學(xué)界掀起了一場關(guān)于宇宙起源和引力本質(zhì)的探索熱潮。然而，這個旅程中發(fā)生了令人驚訝的轉(zhuǎn)折：愛因斯坦原本的“靜態(tài)宇宙”設(shè)想被證明是一個錯誤。這一過程不僅揭示了科學(xué)探索的曲折，也讓我們看到了宇宙的動態(tài)膨脹本質(zhì)。
在廣義相對論問世之初，物理學(xué)界剛剛開始探索原子層面的現(xiàn)象，許多人期待能將這一理論應(yīng)用到原子物理學(xué)。然而，愛因斯坦冷靜地分析后發(fā)現(xiàn)，廣義相對論對原子物理學(xué)幾乎沒有貢獻(xiàn)。
當(dāng)時，科學(xué)家只知道電磁力和引力兩種相互作用力。愛因斯坦指出，兩個電子之間的電磁力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于萬有引力。因此，用萬有引力去解釋微觀領(lǐng)域毫無意義。于是，愛因斯坦轉(zhuǎn)向宏觀世界，認(rèn)為廣義相對論更適合研究宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)。
均勻的宇宙：愛因斯坦的靜態(tài)宇宙設(shè)想
觀察宇宙，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)各個方向的星系分布均勻，看上去宇宙無邊無際，于是他提出了“宇宙學(xué)原理”：宇宙中的物質(zhì)是均勻分布的，并且各個方向都差不多。愛因斯坦認(rèn)為，過去的宇宙與現(xiàn)在無異，是一個不隨時間變化的“靜態(tài)宇宙”。
為了解出一個滿足廣義相對論的靜態(tài)宇宙模型，愛因斯坦嘗試解決他的方程。然而方程復(fù)雜到難以求解，特別是涉及初始條件和邊界問題。為了避免邊界問題，愛因斯坦設(shè)想宇宙是一個“有限無邊”的空間——類似一個三維的“超球面”，但并不存在真正的邊界，就像二維的甲蟲在籃球表面爬行那樣，永遠(yuǎn)不會遇到“邊”。
在數(shù)學(xué)上，要讓靜態(tài)宇宙模型成立，需要平衡引力的吸引和一種“排斥力”，否則宇宙會在引力作用下塌縮。愛因斯坦在方程中加入了一個“宇宙項”，引入了一種排斥力，使得宇宙可以維持靜態(tài)的“穩(wěn)定狀態(tài)”。這樣一來，他成功構(gòu)建了一個有限無邊、靜態(tài)的宇宙模型，這讓愛因斯坦感到無比自豪。
轉(zhuǎn)折點：弗里德曼和勒梅特的膨脹宇宙
就在愛因斯坦完成他的靜態(tài)宇宙模型時，俄國數(shù)學(xué)家弗里德曼發(fā)現(xiàn)了一個驚人的結(jié)果。他解出了一種“膨脹宇宙”模型——在這種宇宙中，星系間的距離會隨時間擴大或縮小，宇宙不是靜態(tài)的，而是處于不斷的動態(tài)變化中。
弗里德曼將論文投稿，審稿人正是愛因斯坦本人。愛因斯坦拒絕了該論文，認(rèn)為弗里德曼犯了錯誤。直到后來，比利時神父勒梅特重新推導(dǎo)了一個類似的膨脹宇宙模型，大家才意識到愛因斯坦的靜態(tài)宇宙或許并非唯一的解。
重新認(rèn)識宇宙：愛因斯坦的“最大錯誤”
當(dāng)科學(xué)家們驗證了膨脹宇宙模型的正確性，愛因斯坦終于意識到自己的靜態(tài)宇宙項可能是一個錯誤。他稱這個宇宙項是“他一生中最大的錯誤”。這次科學(xué)糾正帶來的影響深遠(yuǎn)：后來，天文學(xué)家哈勃觀測到星系紅移，證明宇宙確實在膨脹，弗里德曼和勒梅特的膨脹模型成為主流，靜態(tài)宇宙模型從此被取代。
科學(xué)的進(jìn)步總是伴隨著修正與意外。愛因斯坦的廣義相對論不僅改變了人類對引力的認(rèn)識，也讓我們看到了宇宙的宏大動態(tài)本質(zhì)。雖然他認(rèn)為宇宙項是“最大的錯誤”，但這段探索也讓我們明白，科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往在錯誤中不斷前進(jìn)。
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作者：《趙崢教授解讀物理世界》今朝文化 科普創(chuàng)作團(tuán)隊
審核：周曉亮 北京交通大學(xué)物理學(xué)實驗室高級工程師
