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古人云:“人非圣贤,孰能无过”。作为人类史上最伟大的物理学家之一,爱因斯坦也是在物理学上栽了个大跟头,他称其为“一生中犯得最大错误”。那么,爱因斯坦犯下了哪个大错?他究竟错得有多离谱?

广义相对论

爱因斯坦一生最伟大的成就莫过于创立广义相对论。当年在验证这个理论之前,他自信满满地认为,如此优雅而自洽的广义相对论不可能会出错,否则他就要为宇宙感到遗憾了。爱因斯坦所犯得大错正是与广义相对论有关。那么,广义相对论是怎样的一个理论呢?

广义相对论是描述物质和能量作用于时空的一个理论,或者简单来说是一个引力理论。在爱因斯坦之前,牛顿发现了万有引力定律,这是最早的引力理论。虽然牛顿引力理论很成功,但对于一些宇宙现象的预言出现了偏差,例如,水星近日点的进动值与实际观测者存在出入。

直到广义相对论的创立,牛顿引力理论无法完美解释的现象才得到解决。爱因斯坦认为,物质和能量分布在空间中,就会导致原来平坦的空间发生弯曲,这使得无论是物质还是光都会在弯曲的空间中运动,从而产生引力效应。这样的引力描述成功解释了一系列的天文学现象,包括水星近日点进动、星光偏转。

令人不安的结论

不过,当爱因斯坦进一步研究广义相对论的引力场方程时,他发现这个方程中隐含着不稳定的因素。如果宇宙中的物质和能量按照引力场方程中那样产生引力效应,结果就会得到一个令他诧异的结果——宇宙要么正在坍缩,要么正在膨胀,宇宙不可能会保持静态。

曾几何时,稳恒态宇宙的观念深入人心,包括爱因斯坦在内的很多物理学家和天文学家也认为宇宙是静态的,宇宙的存在时间是无限的。由于广义相对论预言了宇宙是动态的,为此,爱因斯坦特地引入了一个宇宙学常数(Λ),用于平衡引力场方程,使之能够推导出宇宙是静态的结论。

哈勃的发现

但不久后,天文学家哈勃的观测结果震撼了科学界。通过研究宇宙中星系的光谱,哈勃发现了一个出乎意料的结果——星系的光谱大都呈现出红移,而且红移值随着星系距离的增加而增大。

多普勒效应不但适用于声音,而且也适用于光。星系光谱出现红移意味着它在远离银河系,而红移值越大则表示远离速度越快。经过量化之后,哈勃发现星系的退行速度与距离成正比,这就是哈勃定律。

哈勃定律表明,宇宙并非是静态的,空间目前正在均匀膨胀。空间自身结构的扩张,推动着空间中的星系互相远离。爱因斯坦知道哈勃的观测结果之后,他又把引力场方程中的宇宙学常数去掉,并声称这是他一生中所犯下的最大错误。

爱因斯坦真的错了吗?

从哈勃红移来看,爱因斯坦确实犯大错了。然而,现代天文学却给了爱因斯坦正名的机会,爱因斯坦当年的那个错误可能是正确的。这并不是说哈勃的观测结果有问题,而是天文学家有了另一个重大发现。

上个世纪末,天文学家在研究Ia型超新星时发现,宇宙过去的膨胀速度要慢于现在,这意味着宇宙的膨胀速度正在加快。为了解释这种现象,天文学家提出了暗能量假说。

空间中存在着大量的暗能量,它们是空间的固有能量,占到了整个宇宙质能总量的68%。暗能量有别于产生引力的物质,它们会产生负压效应,驱使空间结构不断扩张。

在发现宇宙加速膨胀之后,人们又重新想到了爱因斯坦当年引入的宇宙学常数。只要对这个参数稍加调整,就能让广义相对论推导出空间正在加速膨胀的结论。由此可见,爱因斯坦也许又对了。

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