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在科学史上,有些错误只是小插曲,有些错误却改写了整个学科的走向。
1921年,爱因斯坦获得诺贝尔物奖后的官方肖像
1917年,爱因斯坦干了一件他后来亲口承认的“终身最蠢的事”——他在广义相对论的引力方程中添加了一个奇怪的“宇宙常量Λ”,只为让宇宙在理论上保持“静止”。
爱因斯坦(第一排居中)在第五次索尔维会议上,这次会议是人类量子力学发展史上最具影响力的事件之一。
多年后,这个被他称为“愚蠢项”的Λ却像幽灵一样,一次又一次地回到宇宙学的中心舞台,甚至成为我们理解宇宙加速膨胀的关键。
这到底是一个科学巨人的失误,还是一个被时代误解的远见?《科学大师的失误》带你回到20世纪初的科学现场,重新审视这个堪称宇宙学“悬案”的来龙去脉。
一
为了“静态宇宙”
他亲手在方程里加了个“怪项”
1917年,在广义相对论提出两年后,爱因斯坦将目光转向了宇宙的整体结构。他想用自己的理论建立一个宇宙模型——不是任何一个星系的运动,而是整个宇宙的演化。
爱因斯坦的广义相对论预言:足够致密的质量可以使时空变形,形成黑洞。这张黑洞照片是由事件视界望远镜于2019年4月10日拍摄的。
图/人类捕获的第一张黑洞相片
那是一个科学家普遍相信宇宙是“静态”的年代。天空恒久、星辰不动,看上去天体的分布与运动总体上是平衡稳定的。为了让自己的方程符合这个“常识”,爱因斯坦发现:如果不做任何修改,他的方程预言宇宙要么不断膨胀,要么不断收缩,与“静态宇宙”矛盾。
于是,他引入了一个全新的修正项——宇宙常量Λ,用来提供一种“斥力”,抵消引力的收缩趋势。这个项不是来源于任何物质或能量,而是被强行“镶嵌”进时空本身的结构中。它的效果非常奇特:距离越远,这个斥力越强,与我们日常经验中的所有力都不同。
图/爱因斯坦与质能方程
虽然爱因斯坦自己也觉得这个项在“美学”上不够优雅,甚至在给朋友的信中自嘲“快要被这个理论逼疯”,但他还是把它写进了自己的论文中,只为成就一个符合时代直觉的“静态宇宙”。
这篇题为《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》的论文,标志着现代宇宙学的诞生,但也埋下了后来巨大争议的种子。
二
“愚蠢项”Λ
被他人丢弃、痛斥、又重新捡起
爱因斯坦以为这样就万事大吉了,没想到,他的这个“补丁”,被许多后来的科学家视为累赘。
苏联数学家弗里德曼第一个指出了问题:如果重新审视爱因斯坦的原方程——不加Λ——其实本身就允许宇宙随时间膨胀或收缩。爱因斯坦为了迎合“静态宇宙”的观念而加入Λ项,反而违背了方程本身的物理直觉。
亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann),苏联著名的数学家、气象学家与宇宙学家。
一开始爱因斯坦并不接受这个批评,还在期刊上公开反驳。但很快,弗里德曼反驳了他的反驳,并从数学上精确指出了爱因斯坦计算中的疏漏。最终,爱因斯坦不得不承认自己的错误,撤回了批评。1923年他开始接受膨胀宇宙模型,1931年更是正式承认:“宇宙常量在理论上是不能令人满意的。”他将Λ称为自己“毕生最大的错误”。
1925年,物理学家玻尔正在和爱因斯坦探讨问题。
伽莫夫在回忆录中还提到:爱因斯坦曾亲口对他说,引入宇宙常量Λ是他“一生中最愚蠢的决定”。而伽莫夫自己也对Λ极度反感,甚至嘲讽这个以希腊字母Λ命名的常量是“丑陋的尖脑袋”,“不请自来地在各种理论里出现”。
暗能量导致宇宙膨胀的示意图
但问题并没有结束。20世纪后期,宇宙学研究发现,宇宙不只是膨胀,而且是在加速膨胀!而解释这一现象,恰恰需要一个类似Λ的“斥力”。于是,科学家们又把这个被爱因斯坦抛弃的“愚蠢项”重新请回来,赋予它新的含义——暗能量的表现形式。
就这样,Λ像一位命运多舛的角色,从理论的“补丁”,到被唾弃的“错误”,再到今日解释宇宙命运的关键角色。它从来没有真正退出历史舞台。
三
从牛顿到爱因斯坦
宇宙边界的困境与突破
其实早在爱因斯坦之前,人类就为“宇宙的结构”这个问题纠结了几千年。是有限还是无限?有边界还是无边界?从古代中国、古希腊到牛顿和康德,这个问题始终难解。
牛顿认为宇宙是无限空间中分布着无限数量的恒星,这样才能避免由于万有引力导致宇宙塌缩的问题。但这又导致了另一个悖论:既然星星无限多,夜空为什么不是无限明亮的?这就是所谓的“奥尔勃斯佯谬”。
为了维持“静态宇宙”的可能性,19世纪的德国学者冯·诺依曼和冯·希利格甚至也提出过“宇宙项”的概念,为爱因斯坦日后引入Λ项提供了理论先声。
给爱因斯坦带来深刻影响的两位科学家:艾萨克·牛顿(左)和伯恩哈德·黎曼(右)。
但真正带来突破的,是黎曼几何的引入。爱因斯坦用黎曼空间取代了牛顿的“绝对空间”,提出宇宙可以是“有限无边”的。也就是说,宇宙像一个球面,表面是有限的,但没有边缘。这个思想首次用实证的方法破解了“宇宙有限是否有边”的哲学死结。
正是这种几何观念上的革新,使得广义相对论不仅是物理理论的进展,更是人类认知框架的更新。而Λ项,无论它多么“丑陋”,在这个新框架中都获得了前所未有的地位。
图/童年和青年时期的爱因斯坦
爱因斯坦在年轻时,以不轻信任何先验自明的概念而令人叹服。他虽然在1917年2月文章发表之前,也发现他的引力方程会得出膨胀和收缩解,但是受传统静态观的影响,迫使他放弃这种可能的解。
图/晚年爱因斯坦
而爱因斯坦,即便犯了“错误”,依然展现了一个科学家的真正勇气:敢于承认失误,也敢于挑战整个宇宙的秩序。这份勇气,至今仍在推动着我们前行。
“Λ”项的“逆袭”
仿佛科学史上的“反转” 彩蛋
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观点资料来源:《科学大师的失误》
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