APP 愛因斯坦提出廣義相對(duì)論后，科學(xué)界掀起了一場(chǎng)關(guān)于宇宙起源和引力本質(zhì)的探索熱潮。然而，這個(gè)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(gè)錯(cuò)誤。這一過(guò)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(dòng)態(tài)膨脹本質(zhì)。
在廣義相對(duì)論問(wèn)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(duì)論對(duì)原子物理學(xué)幾乎沒有貢獻(xiàn)。
當(dāng)時(shí)，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(gè)電子之間的電磁力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于萬(wàn)有引力。因此，用萬(wàn)有引力去解釋微觀領(lǐng)域毫無(wú)意義。于是，愛因斯坦轉(zhuǎn)向宏觀世界，認(rèn)為廣義相對(duì)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(gè)方向的星系分布均勻，看上去宇宙無(wú)邊無(wú)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(gè)方向都差不多。愛因斯坦認(rèn)為，過(guò)去的宇宙與現(xiàn)在無(wú)異，是一個(gè)不隨時(shí)間變化的“靜態(tài)宇宙”。
為了解出一個(gè)滿足廣義相對(duì)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(wèn)題。為了避免邊界問(wèn)題，愛因斯坦設(shè)想宇宙是一個(gè)“有限無(wú)邊”的空間——類似一個(gè)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(huì)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(huì)在引力作用下塌縮。愛因斯坦在方程中加入了一個(gè)“宇宙項(xiàng)”，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(lái)，他成功構(gòu)建了一個(gè)有限無(wú)邊、靜態(tài)的宇宙模型，這讓愛因斯坦感到無(wú)比自豪。
轉(zhuǎn)折點(diǎn)：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(shí)，俄國(guó)數(shù)學(xué)家弗里德曼發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(huì)隨時(shí)間擴(kuò)大或縮小，宇宙不是靜態(tài)的，而是處于不斷的動(dòng)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(cuò)誤。直到后來(lái)，比利時(shí)神父勒梅特重新推導(dǎo)了一個(gè)類似的膨脹宇宙模型，大家才意識(shí)到愛因斯坦的靜態(tài)宇宙或許并非唯一的解。
重新認(rèn)識(shí)宇宙：愛因斯坦的“最大錯(cuò)誤”
當(dāng)科學(xué)家們驗(yàn)證了膨脹宇宙模型的正確性，愛因斯坦終于意識(shí)到自己的靜態(tài)宇宙項(xiàng)可能是一個(gè)錯(cuò)誤。他稱這個(gè)宇宙項(xiàng)是“他一生中最大的錯(cuò)誤”。這次科學(xué)糾正帶來(lái)的影響深遠(yuǎn)：后來(lái)，天文學(xué)家哈勃觀測(cè)到星系紅移，證明宇宙確實(shí)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(duì)論不僅改變了人類對(duì)引力的認(rèn)識(shí)，也讓我們看到了宇宙的宏大動(dòng)態(tài)本質(zhì)。雖然他認(rèn)為宇宙項(xiàng)是“最大的錯(cuò)誤”，但這段探索也讓我們明白，科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往在錯(cuò)誤中不斷前進(jìn)。
文章由科普中國(guó)-創(chuàng)作培育計(jì)劃出品，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源。
作者：《趙崢教授解讀物理世界》今朝文化 科普創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)
審核：周曉亮 北京交通大學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師
