相對論驚到了 愛因斯坦

易音信

愛因斯坦被譽為繼伽利略、牛頓之后人類最偉大的科學家，是現(xiàn)代物理學的開創(chuàng)者和奠基人之一。他的偉大貢獻、他的想象力都是學生從小在學校里就開始接觸了。

相對論是愛因斯坦最偉大的發(fā)現(xiàn)，這源于他一系列的思想實驗，即所有一切都是在他頭腦中假設、演繹、推斷出來的，也因此他的想象力和思考能力被后人推崇備至。相對論，特別是廣義相對論，非常奇妙地預言到了一系列宇宙奇特現(xiàn)象，但是當根據(jù)相對論推導出這些宇宙現(xiàn)象時，愛因斯坦卻被驚到了以至于不敢相信，甚至否認。

對宇宙常數(shù)的反復

當年愛因斯坦研究引力與廣義相對論時，人類的天文學知識還很落后，認為宇宙是靜態(tài)而穩(wěn)定的空間——既不膨脹，也不收縮。但愛因斯坦的公式卻讓他十分驚訝：公式表明宇宙要么在膨脹，要么在收縮，但就是不能保持靜止！

面對著如此不符合“常識”的公式，愛因斯坦覺得他唯一的選擇就是引進一個附加因素，以使他的理論導出一個靜止不變的宇宙。這個附加因素就是宇宙常數(shù)，宇宙常數(shù)更準確的說法應該是“宇宙常量”，它代表著真空中有一種看不見的能量，其密度是一個常數(shù)，會產生宇宙排斥力。同引力相反，它隨著天體之間距離的增大而增強。這是一個假想的、用以抵消引力作用的力。宇宙常數(shù)就是指這種宇宙空間中恒定的能量密度。我們只要調整這個常數(shù)，就可以平衡引力與宇宙排斥力，而得到靜止且封閉的宇宙。

多年以后，美國天文學家哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙在不斷膨脹，顛覆了靜態(tài)宇宙觀，這時愛因斯坦才意識到自己的錯誤，就急急忙忙把方程中的宇宙常數(shù)項去掉了，并把宇宙常數(shù)稱為自己“一生中最大的錯誤”。

然而，令人驚奇的是，隨著對膨脹宇宙的不斷研究，天文學家發(fā)現(xiàn)膨脹速率在增加（河外星系在加速遠離銀河系），卻沒發(fā)現(xiàn)導致加速膨脹的因素是什么，于是便設想出暗物質和暗能量，尤其暗能量極可能是這種神秘因素。暗能量的發(fā)現(xiàn)告訴我們，愛因斯坦那作為與引力相抗衡的宇宙常數(shù)不僅確確實實存在，而且大大擾動了我們的宇宙，使宇宙的膨脹速率嚴重失控。在經(jīng)歷了一系列曲折后，被愛因斯坦拋棄的宇宙常數(shù)正在時間中復活。

對引力波猶疑不定

引力波是時空結構中的漣漪，幾年前被科學家實際探測到了。它使天文學家多了一種研究宇宙的新方法，也預示著開啟一個新的天文時代。它也是對愛因斯坦相關理論的重大驗證，因為100年前他提出的廣義相對論就推論出引力波必然存在。

但是，在廣義相對論發(fā)表后的20年時間里，愛因斯坦卻對引力波是否存在一直游移不定。因為在計算過程中，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)時空中某個地方存在“奇點”，意味著無法在那里用數(shù)字表示引力波的大小。既然奇點無法表示，那就證明引力波不存在了。于是愛因斯坦寫了論文寄出去準備發(fā)表，宣布引力波不存在。

事實上，問題出在奇點而非引力波。那個奇點只是坐標奇點，好比北極點。地球上任何地方可用經(jīng)緯度來表示坐標，但北（南）極點例外，因為所有經(jīng)線都經(jīng)過那里。無法用數(shù)字表示，這不代表北極點不存在，更不代表無法到達那里。因此在那個所謂的奇點，引力波仍然可以到達。審稿人收到愛因斯坦的論文后，專門寫了10頁報告指出論文可能有錯誤，就退了回去。愛因斯坦對此很生氣。

對其它推論也不相信

根據(jù)廣義相對論，時空因引力而扭曲，最后必然出現(xiàn)一個極端——黑洞。黑洞是宇宙中極其特殊的存在，一切宇宙規(guī)則在那里都不起作用，因此它成為天文學研究的一個重要內容。但愛因斯坦對黑洞并不上心，更沒有深入研究它。

還有時空扭曲，即大質量天體扭曲時空的效果非常明顯，會形成類似透鏡的效應。它相當于折射光線，把遙遠光源處射過來的光改變方向，重新發(fā)射出去。愛因斯坦相信這個結果，但卻不相信人們能看到它，還在論文中寫道“這種現(xiàn)象不可能直接觀察”。然而1979年，天文學家就觀測到一個類星體所形成的像，這就是引力透鏡現(xiàn)象。

愛因斯坦對自己理論所推導出的宇宙現(xiàn)象幾乎都抱有懷疑，這說明廣義相對論太超前了，它所預測到的宇宙奇異現(xiàn)象在當時根本無法觀測和證實，也違背了當時的科學常識，連想象力如此豐富的愛因斯坦都無法接受。