愛因斯坦的大錯嗎?

摘要:愛因斯坦的宇宙常數(shù)項伴隨著宇宙模型的變化發(fā)展一波三折，體現(xiàn)了科學(xué)假說發(fā)展的曲折規(guī)律。

關(guān)鍵詞:宇宙模型;宇宙常數(shù);暗物質(zhì)

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)2(S)-0078-2

愛因斯坦承認，他在宇宙理論中犯了平生中“最大錯誤”。但是科學(xué)史的進程是如此的“詭異”而又意味深長，“大錯”又可能預(yù)示著宇宙學(xué)的一項重大進展!

1917年，愛因斯坦發(fā)表了他的第一篇關(guān)于宇宙論的研究論文《根據(jù)廣義相對論對宇宙所做的考查》，為現(xiàn)代宇宙學(xué)的建立奠定了堅實的基礎(chǔ)。在這以前，人們曾認為牛頓的“無限的、絕對的時空觀”已成定論，但是后來又發(fā)現(xiàn)牛頓的時空觀存在著一些內(nèi)在矛盾。

1 牛頓靜態(tài)宇宙模型

牛頓是最早利用科學(xué)的方法研究宇宙學(xué)問題的科學(xué)家之一。牛頓的宇宙模型是，在無限的歐幾里德空間中均勻的分布著無限多個靜止的天體。但是這一模型碰到一個嚴重的困難，可以證明如果果真如此，那么地球上的夜天空將是無限亮(證明略)。

愛因斯坦分析了牛頓時空觀的矛盾。按牛頓的理論，物質(zhì)充滿整個無限宇宙，那么無限遠處重力場就不為零。而在討論局部天體運動時，總是可以選取一個參考系，使無限遠處重力場為零，而這個無限遠條件是解決局部天體運動的必不可少的條件。這樣我們就處于二者必擇其一的境地:要么放棄牛頓力學(xué)作為天體運動的的基礎(chǔ)，要么認為天體并不均勻的分布在整個無限空間，而只是占據(jù)一有限范圍。但是如果天體分布在有限空間，這個體系是不穩(wěn)定的，它必將坍縮。

2 愛因斯坦的大錯——宇宙常數(shù)

為擺脫這種困境，愛因斯坦在廣義相對論基礎(chǔ)上，利用他的引力場方程對宇宙整體進行了考察，開創(chuàng)了理論宇宙學(xué)的新學(xué)科。

審視這個方程的解，愛因斯坦驚訝地發(fā)現(xiàn)，時間有一個開端，或許也有一個終結(jié);宇宙竟然不是膨脹的就是收縮的!面對這一“荒謬”的“創(chuàng)世紀”和“啟示錄”，愛因斯坦被當時的宇宙觀念(靜止且與時間無關(guān))所蒙蔽，最終讓他的理論屈從于傳統(tǒng)之見，引入了一個“宇宙常數(shù)”項——這真可謂削足適履——使它起到平衡作用，得到一個令人放心的靜態(tài)宇宙模型。但是，這樣他卻失去了另一項重大的科學(xué)預(yù)言的機遇!

1929年哈勃觀察到星系光譜紅移和距離的線性關(guān)系，即哈勃定律。所謂光譜紅移是一種多普勒效應(yīng):科學(xué)家把頻率下降，波長增長稱作“紅移”，因為紅光在可見光中頻率最低，波長最長。人們把紅移歸結(jié)于宇宙的膨脹，并推論宇宙是由于一百多億年前的一次大爆炸產(chǎn)生的，產(chǎn)生了標準的大爆炸宇宙學(xué)理論，愛因斯坦的宇宙模型被否定。當愛因斯坦得知“宇宙普遍在膨脹”的這一事實后追悔莫及，認為在場方程中引入“宇宙常數(shù)”項是一生中最大的錯誤。

3 暗物質(zhì)——宇宙常數(shù)歸來

然而幾十年后，隨著暗能量的發(fā)現(xiàn)，宇宙常數(shù)又神奇的“復(fù)活”了。

1998年，科學(xué)家們經(jīng)過多年的觀測和研究，發(fā)現(xiàn)了宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹，這似乎意味著有一種反引力的作用在其中扮演了重要角色，科學(xué)家將這種未知的反引力作用稱為“暗能量”。據(jù)此人們說，愛因斯坦的反引力宇宙常數(shù)似乎又要“死而復(fù)生”了。

近年來，科學(xué)家們通過各種的觀測和計算證實，暗能量不僅存在，而且在宇宙中占主導(dǎo)地位，它的總量約達到宇宙總量的73%，而宇宙中的暗物質(zhì)約占23%、普通物質(zhì)僅約占4%。我們一直以為滿天繁星就已經(jīng)夠多了，宇宙中還有什么能比得上它們呢?而現(xiàn)在，我們才發(fā)現(xiàn)這滿天繁星卻是“弱勢群體”，宇宙的絕大部分都是我們知之甚少或一無所知的，這怎么能不讓人感到萬分驚訝和興奮呢?

然而今天，科學(xué)家重新引入了宇宙學(xué)常數(shù)項，這和當初愛因斯坦引入以給出“希望”的宇宙模型不同，現(xiàn)在的宇宙學(xué)常數(shù)代表了暗能量和暗物質(zhì)，是有意義的，而不是僅僅為了滿足科學(xué)家個人觀念的需要。

暗能量的發(fā)現(xiàn)，也充分地說明了人類認知過程又走進了一個“悖論怪圈”:即宇宙中所占比例最多的，反而是最遲也是最難為我們所知曉的。伴隨著人類現(xiàn)在對宇宙奧秘的了解越來越多，我們所要面對的未知也越來越多。而這日益深遠的未知又反過來不斷刺激著人類去探索宇宙背后的真相。

當代宇宙常數(shù)的興衰為我們理解科學(xué)的運行提供了范例。各種理論集中于科學(xué)家的頭腦中，經(jīng)過思考、審視，然后如達爾文的進化論一樣，對這些理論進行淘汰、選擇，于是一些理論永遠的消失了，另一些則經(jīng)過改進，演化成新理論。

參考文獻:

[1][美]當納#8226;哥爾斯密.愛因斯坦的大錯嗎?[M].長春:吉林人民出版社，2001.1

(欄目編輯張正嚴)