甩不掉的錯誤

1917年初，愛因斯坦發表了一篇后來頗令他后悔的文章，題目是《廣義相對論的宇宙學探討》。他在這篇文章中修正了自己在一年多前費盡心思才找到的重力方程式。他在1916年初曾經向好朋友艾倫費斯特說：“想象一下，當我發現一般性的坐標協變是可能的，而且方程式可以得到水星近日點正確的運動時是多么的喜悅，有好幾天我興奮得不能自己。”愛因斯坦很有自信地認為，任何人只要了解方程式的意義，就會知道它是正確的。既然如此，他一定有不得不做的理由，才會要去更正原先優美的方程式。

愛因斯坦的動機是這樣的：他原先認定宇宙應該是封閉而且靜止的，因為一來宇宙“看起來”的確是靜止的；二來宇宙如果是封閉的，就不需要額外的邊界條件，不然“邊界條件會要求選擇一明確的坐標參考系，違背了相對論的精神”。但是在封閉的宇宙中，相吸的重力終究會讓所有的物質與時空都崩塌在一起，所以他無法從原來的重力方程式中解出靜止且封閉的宇宙來——除非設法提供一種全新的宇宙排斥力來抵擋重力。因此，愛因斯坦就在方程式中加入了一項“宇宙項”以獲得排斥力；“宇宙項”包含了一個宇宙常數，我們只要調整這個常數就可以平衡重力與宇宙排斥力，而得到靜止且封閉的宇宙。

然而愛因斯坦是錯的：宇宙既不靜止也不必封閉。1929年，天文學家哈勃發現遠處星系所發出的光有紅外移的現象，這是宇宙在膨脹的跡象。同時理論學家也發現，原先沒有包含“宇宙常數項”的愛因斯坦方程式，本身就可以描述膨脹中的開放宇宙。所以愛因斯坦在《相對論的意義》一書第2版中，就說：“如果‘哈勃膨脹’在廣義相對論出現的當時就已經發現，‘宇宙項’就不會被引入了。現在看起來，根本沒有什么道理得在方程式中加上這么一項，因為原先唯一的動機——自然地解決宇宙問題——消失了。”愛因斯坦本來對于“宇宙項”就覺得不自在，他早在1919年時就承認過“宇宙項”嚴重地破壞了理論的形式之美。

因為《湯普金夢游記》《一二三……無窮大》等科普書而廣為人知的名物理學家加莫，在他的自傳《我的世界線》里說：“愛因斯坦多年前對我說宇宙排斥力是他一輩子所犯最大的愚蠢錯誤。”

如果回頭反省宇宙常數的意義，我們會發現它所代表的是所謂的真空能量。這種能量的特點是它的能量密度不會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隨宇宙膨脹而下降。就是因為真空能量的性質怪異，它才能夠提供不尋常的宇宙排斥力。

雖然愛因斯坦毫不猶豫地拋棄了“宇宙項”，其他人反而認為如果暫且放下主觀的“美感”不論，“宇宙項”還是有其可取之處，起碼它是唯一的一項可以加進愛因斯坦方程式，而不至于破壞對稱性和其他已知的限制。所以天文學家托曼就認為應該把宇宙常數當成是理論參數，它的大小得由實驗決定，不必急著認定它為零，而將“宇宙項”丟掉。

天文觀測學家終于說話了，依據他們最新的數據，宇宙常數的確不是零。簡單地說，他們觀察到宇宙正在加速膨脹，證明了宇宙排斥力的存在。理論分析發現真空能量密度不但不是零，反而占了現今宇宙能量密度的最大部分——約70％!如果愛因斯坦知道這個結果，不曉得會有多么驚訝。除了真空能量的貢獻，我們熟悉的能量形態只占約4％，其他25％的能量來自現在還不甚了解的所謂“暗物質”。當我們看著閃亮的星系時，得了解其實它是包裹在看不見的“暗物質”里。5年前，沒有人可以想象宇宙95％以上的能量形態是我們完全不了解的。這是近年來最重要的科學發現之一，愛因斯坦“最大的錯誤”可能翻身變成他最大的成功嗎?