■賴(lài)昭正

愛(ài)因斯坦的最大錯(cuò)誤？

■賴(lài)昭正

如果你相信2011年三位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主所觀測(cè)到的結(jié)論，那愛(ài)因斯坦自認(rèn)為最大的錯(cuò)誤，可能是他在理論物理上的另一巨大貢獻(xiàn)！

你知道愛(ài)因斯坦一生中所犯的最大錯(cuò)誤是什么嗎？湊答案！在完成創(chuàng)世巨著《廣義相對(duì)論》后不久，他發(fā)現(xiàn)由該理論所導(dǎo)出的宇宙觀竟然與當(dāng)時(shí)物理學(xué)家（包括他自己）所接受的不同，于是愛(ài)因斯坦人為地在他的方程式里加了一項(xiàng)常數(shù)，使其結(jié)果能符合當(dāng)時(shí)的宇宙觀！沒(méi)想到12年后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的宇宙觀根本就是錯(cuò)的！愛(ài)因斯坦非常后悔地悄悄將那個(gè)常數(shù)從其筆記本上擦去，并說(shuō)這是他一生中所犯的最大錯(cuò)誤！可是該常數(shù)卻陰魂不散，在愛(ài)因斯坦去世多年后重新登上舞臺(tái)，成為今日探討宇宙歷史的主要工具。

20世紀(jì)前的宇宙觀

宇宙的起源、歷史與結(jié)構(gòu)，在16世紀(jì)以前，一直被認(rèn)為是屬于宗教與哲學(xué)的范疇。因此哥白尼只敢在去世前夕出版地球繞日的理論書(shū)，開(kāi)創(chuàng)了近代天文的研究。約百年后，伽利略改進(jìn)了望遠(yuǎn)鏡，并將其鏡頭轉(zhuǎn)向天空，開(kāi)啟了觀測(cè)天文之門(mén)，并大力支持哥白尼地球繞日的理論。

400余年來(lái)──尤其是20世紀(jì)后，科學(xué)家在了解宇宙的性質(zhì)與演化上已有非?？焖俚倪M(jìn)展！有關(guān)創(chuàng)世紀(jì)或盤(pán)古開(kāi)天辟地到底是什么時(shí)候發(fā)生或如何發(fā)生的問(wèn)題，科學(xué)家不再需要依靠信仰來(lái)解決，已可以用科學(xué)儀器去“看”宇宙像什么樣子及如何演化。像這類(lèi)大哲學(xué)的問(wèn)題已不再是信仰的爭(zhēng)論，而是證據(jù)與理論的問(wèn)題——正如其他科學(xué)探索一樣。

哥白尼粉碎了地球?yàn)橛钪嬷行牡幕孟牒螅?，天文學(xué)家了解到太陽(yáng)也不可能是宇宙的中心。以人為主的宇宙觀一旦破滅，科學(xué)家再?zèng)]有任何理由認(rèn)為我們身處的地方在宇宙中占了一個(gè)很獨(dú)特的地位，同樣，我們身處的時(shí)刻也沒(méi)有理由是個(gè)很特殊的時(shí)刻。宇宙永遠(yuǎn)就是那樣存在著，它沒(méi)有開(kāi)始，也不會(huì)有終結(jié)——因?yàn)槿绻虚_(kāi)始，那顯然就應(yīng)有創(chuàng)造者，這不是太宗教了嗎？

廣義相對(duì)論

愛(ài)因斯坦在1905年所發(fā)表的狹義相對(duì)論，雖然震撼物理界，完全改變了物理學(xué)家對(duì)時(shí)間及空間的觀念，但很遺憾地不能適用于牛頓的萬(wàn)有引力。經(jīng)過(guò)10年的苦思與奮斗，他終于在1915年完成了他的廣義相對(duì)論，彌補(bǔ)了這一缺失。愛(ài)因斯坦完成這一理論后，立即用它來(lái)計(jì)算水星繞日的軌跡，解決了牛頓引力理論無(wú)法解釋的“水星繞日軌跡慢慢變化”的困惑。他更用其廣義相對(duì)論，預(yù)測(cè)了光線在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)，會(huì)因該處時(shí)空變形（因太陽(yáng)引力的關(guān)系）而彎曲。在1919年的日食里，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓爵士測(cè)得了星光經(jīng)太陽(yáng)附近后的彎曲，發(fā)現(xiàn)其值與愛(ài)因斯坦理論計(jì)算出來(lái)的完全符合！瞬間，全世界報(bào)紙競(jìng)相刊登這一理論，愛(ài)因斯坦一夜之間成了全世界家喻戶曉的名字！

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論闡釋了物體如何改變其周遭的時(shí)空幾何、及后者又如何反過(guò)來(lái)決定物體該如何運(yùn)動(dòng)，而宇宙充滿了物體，因此廣義相對(duì)論立即成為探討宇宙的工具。

愛(ài)因斯坦當(dāng)然也在思考宇宙的問(wèn)題。一個(gè)充滿星球的無(wú)限宇宙在邏輯上是有問(wèn)題的：任何一點(diǎn)均應(yīng)感受到無(wú)限大的重力及天空不應(yīng)是黑暗的?？墒且粋€(gè)懸掛在空間的有限宇宙也是有問(wèn)題的：宇宙外的空間又是什么呢？左思右想，愛(ài)因斯坦于1917年2月提出了一個(gè)連他自己都認(rèn)為可能被關(guān)到瘋?cè)嗽旱牡谌齻€(gè)宇宙結(jié)構(gòu)：沒(méi)有邊界的有限宇宙。愛(ài)因斯坦舉的例子就是生活在二維球面上的怪人：他們生活的球面是有限的，但卻沒(méi)有邊界（上下對(duì)他們來(lái)說(shuō)是沒(méi)有意義的）。這種宇宙觀雖然奇怪，但是符合邏輯，在數(shù)學(xué)上也是完全可能的！但他的方程式卻說(shuō)這樣的宇宙只能膨脹或收縮，這與當(dāng)時(shí)大部分科學(xué)家所認(rèn)為的靜態(tài)宇宙觀相沖突！沒(méi)想到的是，推翻了深植物理學(xué)家心中達(dá)200余年之久的牛頓時(shí)空觀念的革命壯士，竟然在這里屈服了：為了符合當(dāng)時(shí)的想法，他在其宇宙論加入了一個(gè)具有排斥力的宇宙常數(shù)來(lái)平衡萬(wàn)有引力，使他的宇宙能保持靜態(tài)！

膨脹中的宇宙

1929年，美國(guó)天文學(xué)家E.哈勃發(fā)表了一些有關(guān)從遙遠(yuǎn)星系傳來(lái)的光譜的測(cè)量結(jié)果，其頻率分析顯示其光譜線很有系統(tǒng)地向紅色方向位移，其值隨星球距離的增加而加大。顯然，遙遠(yuǎn)星系是依一定的規(guī)則在遠(yuǎn)離我們：距離我們?cè)竭h(yuǎn)，后退速率越快。

這一發(fā)現(xiàn)得出的無(wú)可避免的結(jié)論是：宇宙處于一種正在膨脹的狀態(tài)！這個(gè)完全出乎意料的發(fā)現(xiàn)，改變了宇宙論研究的整個(gè)面貌！如果愛(ài)因斯坦在1917年時(shí)不追隨風(fēng)尚，而是堅(jiān)持相信自己相對(duì)論的結(jié)果，再次大膽地做宇宙膨脹（或縮收）的預(yù)測(cè)，其大名相信將再次在全世界各大報(bào)紙雜志出現(xiàn)?？上О。」植坏盟試@那是他一生中所犯的最大錯(cuò)誤！

一個(gè)膨脹的宇宙是一個(gè)正在改變的宇宙，因此應(yīng)該具有生命的歷史，甚至可能有出生與死亡。事實(shí)上早在1922年，俄國(guó)數(shù)學(xué)家A.弗里曼就已用廣義相對(duì)論去建造膨脹宇宙的各種數(shù)學(xué)模型：當(dāng)年，他靜靜地發(fā)表了他的研究結(jié)果，這些模型到現(xiàn)在仍被用來(lái)作為討論宇宙論的基本理論架構(gòu)。這些模型的兩個(gè)重要特征是：①膨脹率隨時(shí)間縮小；②雖然現(xiàn)在我們所觀察到的星系均相互越離越遠(yuǎn)，但在過(guò)去它們一定曾經(jīng)非常接近過(guò)。依現(xiàn)在為大部分科學(xué)家所接受的標(biāo)準(zhǔn)大爆炸宇宙論，現(xiàn)在的宇宙年齡大約是140億年。

我們雖然對(duì)140億年前宇宙結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)非常不清楚，但大部分科學(xué)家均認(rèn)為宇宙是由“一個(gè)時(shí)空特異點(diǎn)”突然大爆炸而出現(xiàn)的——雖然物理學(xué)家尚不知道可用于該特異點(diǎn)的理論。爆炸前的宇宙處于一種高度均勻、非常高溫及高輻射能密度的狀態(tài)，它爆炸后快速膨脹而冷卻，于是基本粒子、氫、氦、離子電漿、冷氣體、星群、恒星、太陽(yáng)及地球相繼出現(xiàn)，形成我們今天所看到的宇宙。大約在大爆炸后38萬(wàn)年時(shí)，輻射能的能量因宇宙膨脹而降低到不足以使氫原子離子化，因此成了“孤魂野鬼”，游蕩在太空中。而這一所謂的微波背景輻射也在1964年被發(fā)現(xiàn)，成為支持宇宙大爆炸論的最有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)！

標(biāo)準(zhǔn)大爆炸的幾個(gè)謎題

我們?cè)谇懊嬖岬酱蟊ㄇ暗挠钪媸蔷鶆虻?。事?shí)上，微波背景輻射的數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)今的宇宙不但也是均勻的，其均勻度更高達(dá)萬(wàn)分之一。這種均勻性當(dāng)然是從大尺度來(lái)看的，正如桌面在顯微鏡下雖然凹凸不平，但在肉眼下卻是平滑的一樣。可是為什么這么均勻呢？最簡(jiǎn)單與合理的解釋當(dāng)然是大爆炸后的瞬間即是如此。可是問(wèn)題出來(lái)了：如果宇宙的生命只有140億年，而其直徑卻至少在9300億光年以上，那相距在140億光年以上的兩個(gè)不同區(qū)域，如何能互通信息與能量從而達(dá)到平衡（均勻）狀態(tài)呢？當(dāng)然，宇宙在大爆炸之初并沒(méi)有這么大，可是前面提過(guò)，弗里曼宇宙模型的一個(gè)特色便是膨脹速率越來(lái)越慢，如果現(xiàn)在不可能互通信息，那以前（大爆炸后不久之時(shí)）更不可能了！

第二個(gè)問(wèn)題是：為什么我們宇宙的空間幾何是這么的“平”呢？根據(jù)廣義相對(duì)論，空間幾何的曲度取決于質(zhì)量密度（單位體積內(nèi)質(zhì)量和能量的總和），因此如果大爆炸前的質(zhì)量密度正好就是形成曲度為零的空間所需之值，那大爆炸后其曲度還是會(huì)保持在零值的。問(wèn)題是，如果大爆炸前的質(zhì)量密度有千分之一的誤差，那么現(xiàn)在的誤差便可高達(dá)千億分之一！測(cè)量宇宙的質(zhì)量密度當(dāng)然不是一件簡(jiǎn)單的工作，但所有的數(shù)據(jù)均顯示現(xiàn)在宇宙的質(zhì)量密度誤差絕對(duì)沒(méi)有那么大！這意味著大爆炸前的質(zhì)量密度恰巧精確在形成“平”空間所需的臨界值——但怎么那樣巧呢？還有，到底是什么促成了大爆炸呢？

宇宙常數(shù)

1979年12月，美國(guó)基本粒子研究者A.古士突然心血來(lái)潮，懷疑他的研究——超冷的希格斯場(chǎng)——或許也適用于宇宙論。通過(guò)進(jìn)一步探討，他發(fā)現(xiàn)其超冷希格斯場(chǎng)所具有的能量及負(fù)壓比，正與愛(ài)因斯坦強(qiáng)行加入其宇宙論的宇宙常數(shù)一樣！我們前面提過(guò)此常數(shù)是愛(ài)因斯坦用來(lái)平衡引力作用的人為常數(shù)，本來(lái)應(yīng)該是沒(méi)有什么物理意義的，但從其在數(shù)學(xué)式子中所占的位置，G.拉麥崔（比利時(shí)牧師及天文學(xué)家，大爆炸論的創(chuàng)始者）看到了其代表的物理意義：均勻地分布于空間的一種奇怪能量。愛(ài)因斯坦并未提出這一能量的可能來(lái)源，但分析顯示它絕不是我們所熟悉的電子、質(zhì)子或輻射能等。

在牛頓力學(xué)里，重力的來(lái)源只是質(zhì)量；愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論告訴我們，能量也是一種質(zhì)量，因此在廣義相對(duì)論里，能量也會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)相吸的引力效應(yīng)。事實(shí)上不只如此，廣義相對(duì)論里還有第三種重力來(lái)源——壓力！更奇怪的是，如果壓力為正，則可造成相吸的重力效應(yīng)；如果為負(fù)，則可造成相斥的重力效應(yīng)。后者的負(fù)內(nèi)壓，正是愛(ài)因斯坦用來(lái)平衡引力，從而達(dá)到靜態(tài)宇宙觀的方法！

膨脹宇宙論

古士的研究顯示，如果當(dāng)初宇宙充滿了被稱(chēng)為膨脹子的希格斯場(chǎng)，則在慢慢膨脹并冷卻下來(lái)時(shí)，這些膨脹子可能被困在一種能量不為零的非常不穩(wěn)定的超冷狀態(tài)。這種狀態(tài)的膨脹子因具有負(fù)內(nèi)壓，可以提供非常強(qiáng)大的斥力，促成瞬間非常巨大的膨脹。但因這一狀態(tài)非常不穩(wěn)定，膨脹只維持了大約10-35秒，而在這期間，宇宙膨脹率隨著時(shí)間而急速加快！這一巨大、迅速加速的膨脹不但能解釋為何現(xiàn)今的宇宙是如此的均勻，而且還告訴我們現(xiàn)今所觀測(cè)到的宇宙，事實(shí)上只是整個(gè)宇宙中非常小的一部分！這又說(shuō)明了為什么現(xiàn)今觀測(cè)到的宇宙是平的——正如大球表面上的一個(gè)小面積看起來(lái)是平的一樣！哇！這一偶然發(fā)現(xiàn)一下子解決了宇宙大爆炸論的三大謎題！

在宇宙大爆炸理論里，因?yàn)橹挥幸Φ年P(guān)系，認(rèn)為除了大爆炸那一瞬間外，宇宙的膨脹速率一直都是隨時(shí)間而減緩的。而古士的研究則認(rèn)為大爆炸不是瞬間的，而是持續(xù)了大約10-35秒。不僅如此，他還認(rèn)為在大爆炸的過(guò)程中，膨脹速率是隨時(shí)間而急速越來(lái)越大的，因此宇宙變得非常、非常巨大！在大約10-35秒后，這一大爆炸才停止，膨脹子才放出其多余的超冷能量，產(chǎn)生我們現(xiàn)今所看到的一般物質(zhì)與能量。在此之后，宇宙的膨脹速率才因引力的關(guān)系恢復(fù)到其越來(lái)越小的正常狀態(tài)！天文學(xué)家將這一改良的標(biāo)準(zhǔn)大爆炸宇宙論稱(chēng)為膨脹宇宙論，是現(xiàn)今絕大部分科學(xué)家所接受的宇宙論。

不僅如此，膨脹宇宙論還解決了標(biāo)準(zhǔn)大爆炸宇宙論里一個(gè)令人頭痛的大問(wèn)題，即前面提過(guò)的爆炸前的質(zhì)量密度必須非常精確地接近某一臨界值，否則今日可觀測(cè)宇宙的曲度便不可能為零。膨脹宇宙論不但沒(méi)有這個(gè)要求，事實(shí)上它還預(yù)測(cè)了現(xiàn)在宇宙的質(zhì)量密度應(yīng)該非常接近這一臨界值！可是各種數(shù)據(jù)顯示，今日所觀測(cè)到的宇宙，其質(zhì)量密度大概只有膨脹宇宙論預(yù)測(cè)值的5%！

早在20世紀(jì)30年代，美國(guó)加利福尼亞州理工學(xué)院的科學(xué)家朱偉基便從星群的運(yùn)動(dòng)中，懷疑到宇宙中尚存在其他看不到的暗物質(zhì)！科學(xué)家也像世人一樣喜歡追風(fēng)隨俗，一旦有人提出暗物質(zhì)，其存在的證據(jù)便開(kāi)始排山倒海般出現(xiàn)，只是到現(xiàn)在還沒(méi)有人“看到”它到底是什么東西！據(jù)估計(jì)，這些看不見(jiàn)的暗物質(zhì)大約可以提供臨界質(zhì)量密度的25%，再加上可看到的5%的已知物體，顯然我們還差70%才可解釋為何我們的宇宙空間幾何那么平的問(wèn)題！

宇宙中的暗物質(zhì)與暗能量

1998年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的波麥特團(tuán)隊(duì)、澳洲國(guó)家大學(xué)的施密特與美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)的李斯團(tuán)隊(duì)，相繼宣布超級(jí)新星la型的數(shù)據(jù)顯示，在大爆炸后的70億年，宇宙的膨脹速率又再次加速了！這一發(fā)現(xiàn)再次重寫(xiě)了人類(lèi)對(duì)宇宙演化的看法，因此諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)決定將2011年的物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給這三位大膽的科學(xué)家。但牛頓引力只有相吸的作用，因此要解釋這一加速膨脹，看來(lái)又得求助愛(ài)因斯坦的宇宙常數(shù)了！不錯(cuò)，波麥特及施密特認(rèn)為：在大爆炸后，宇宙靠大爆炸時(shí)的沖力而繼續(xù)膨脹，但因萬(wàn)有引力的關(guān)系，膨脹速率將越來(lái)越慢；可是如果真有愛(ài)因斯坦的宇宙常數(shù)，則因其排斥強(qiáng)度不會(huì)隨宇宙膨脹而降低，它總有一天會(huì)強(qiáng)過(guò)萬(wàn)有引力，使宇宙的膨脹速率由減速再次變成加速！這一時(shí)間顯然就是大爆炸后約70億年時(shí)！詳細(xì)分析加速數(shù)據(jù)顯示，他們所需要的宇宙常數(shù)的值所代表的質(zhì)量密度，正好是膨脹宇宙論所要尋找的那70%！看來(lái)，愛(ài)因斯坦的宇宙常數(shù)是真的存在，而不是愛(ài)因斯坦所犯的最大錯(cuò)誤了？！

可是如果真的存在，這些現(xiàn)今被稱(chēng)為暗能量的愛(ài)因斯坦宇宙常數(shù)到底是什么東西呢？拭目以待吧，物理學(xué)家及天文學(xué)家正在努力地尋找這一充滿宇宙并且必須具有負(fù)內(nèi)壓的怪物呢！

如果真有暗能量存在，那是不是得改寫(xiě)牛頓萬(wàn)有引力及愛(ài)因斯坦相對(duì)論呢？幸運(yùn)的是：由暗能量所造成的排斥力是與體積成正比的，在類(lèi)似太陽(yáng)系這樣“小”的體積下，暗能量的效應(yīng)是完全可以忽略不計(jì)的。

結(jié)論

為了符合當(dāng)時(shí)的靜態(tài)宇宙觀，愛(ài)因斯坦于1917年強(qiáng)行在其廣義相對(duì)論導(dǎo)出的宇宙觀中加入一個(gè)被稱(chēng)為“宇宙常數(shù)”的人為常數(shù)。1929年，新數(shù)據(jù)顯示宇宙不是靜態(tài)，而是在膨脹中，愛(ài)因斯坦因而后悔當(dāng)初為何不相信自己的推論，稱(chēng)他那宇宙常數(shù)為一生中所犯的最大錯(cuò)誤。20世紀(jì)80年代末，膨脹宇宙論卻借助宇宙常數(shù)，解釋了當(dāng)時(shí)廣為科學(xué)家所接受的標(biāo)準(zhǔn)大爆炸宇宙論中的三個(gè)謎題。20世紀(jì)90年代末期，新的發(fā)現(xiàn)顯示現(xiàn)在宇宙的膨脹速率不是隨時(shí)間減小，而是加大，宇宙常數(shù)又再次提供了解釋膨脹速率加快所需的斥力的來(lái)源──雖然我們還不知道那所謂的暗能量是什么！當(dāng)然，我們也不知道愛(ài)因斯坦的在天之靈是否還認(rèn)為宇宙常數(shù)是他一生中所犯的最大錯(cuò)誤？

（張小寧插圖）