愛(ài)因斯坦干的最大“蠢事”，今天仍發(fā)人深思

在科學(xué)史上，有些錯(cuò)誤只是小插曲，有些錯(cuò)誤卻改寫了整個(gè)學(xué)科的走向。

1921年，愛(ài)因斯坦獲得諾貝爾物獎(jiǎng)后的官方肖像

1917年，愛(ài)因斯坦干了一件他后來(lái)親口承認(rèn)的“終身最蠢的事”——他在廣義相對(duì)論的引力方程中添加了一個(gè)奇怪的“宇宙常量Λ”，只為讓宇宙在理論上保持“靜止”。

愛(ài)因斯坦（第一排居中）在第五次索爾維會(huì)議上，這次會(huì)議是人類量子力學(xué)發(fā)展史上最具影響力的事件之一。

多年后，這個(gè)被他稱為“愚蠢項(xiàng)”的Λ卻像幽靈一樣，一次又一次地回到宇宙學(xué)的中心舞臺(tái)，甚至成為我們理解宇宙加速膨脹的關(guān)鍵。

這到底是一個(gè)科學(xué)巨人的失誤，還是一個(gè)被時(shí)代誤解的遠(yuǎn)見(jiàn)？《科學(xué)大師的失誤》帶你回到20世紀(jì)初的科學(xué)現(xiàn)場(chǎng)，重新審視這個(gè)堪稱宇宙學(xué)“懸案”的來(lái)龍去脈。

一

為了“靜態(tài)宇宙”

他親手在方程里加了個(gè)“怪項(xiàng)”

1917年，在廣義相對(duì)論提出兩年后，愛(ài)因斯坦將目光轉(zhuǎn)向了宇宙的整體結(jié)構(gòu)。他想用自己的理論建立一個(gè)宇宙模型——不是任何一個(gè)星系的運(yùn)動(dòng)，而是整個(gè)宇宙的演化。

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言：足夠致密的質(zhì)量可以使時(shí)空變形，形成黑洞。這張黑洞照片是由事件視界望遠(yuǎn)鏡于2019年4月10日拍攝的。

圖/人類捕獲的第一張黑洞相片

那是一個(gè)科學(xué)家普遍相信宇宙是“靜態(tài)”的年代。天空恒久、星辰不動(dòng)，看上去天體的分布與運(yùn)動(dòng)總體上是平衡穩(wěn)定的。為了讓自己的方程符合這個(gè)“常識(shí)”，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)：如果不做任何修改，他的方程預(yù)言宇宙要么不斷膨脹，要么不斷收縮，與“靜態(tài)宇宙”矛盾。

于是，他引入了一個(gè)全新的修正項(xiàng)——宇宙常量Λ，用來(lái)提供一種“斥力”，抵消引力的收縮趨勢(shì)。這個(gè)項(xiàng)不是來(lái)源于任何物質(zhì)或能量，而是被強(qiáng)行“鑲嵌”進(jìn)時(shí)空本身的結(jié)構(gòu)中。它的效果非常奇特：距離越遠(yuǎn)，這個(gè)斥力越強(qiáng)，與我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)中的所有力都不同。

圖/愛(ài)因斯坦與質(zhì)能方程

雖然愛(ài)因斯坦自己也覺(jué)得這個(gè)項(xiàng)在“美學(xué)”上不夠優(yōu)雅，甚至在給朋友的信中自嘲“快要被這個(gè)理論逼瘋”，但他還是把它寫進(jìn)了自己的論文中，只為成就一個(gè)符合時(shí)代直覺(jué)的“靜態(tài)宇宙”。

這篇題為《根據(jù)廣義相對(duì)論對(duì)宇宙學(xué)所作的考察》的論文，標(biāo)志著現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生，但也埋下了后來(lái)巨大爭(zhēng)議的種子。

二

“愚蠢項(xiàng)”Λ

被他人丟棄、痛斥、又重新?lián)炱?/strong>

愛(ài)因斯坦以為這樣就萬(wàn)事大吉了，沒(méi)想到，他的這個(gè)“補(bǔ)丁”，被許多后來(lái)的科學(xué)家視為累贅。

蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼第一個(gè)指出了問(wèn)題：如果重新審視愛(ài)因斯坦的原方程——不加Λ——其實(shí)本身就允許宇宙隨時(shí)間膨脹或收縮。愛(ài)因斯坦為了迎合“靜態(tài)宇宙”的觀念而加入Λ項(xiàng)，反而違背了方程本身的物理直覺(jué)。

亞歷山大·弗里德曼（Alexander Friedmann），蘇聯(lián)著名的數(shù)學(xué)家、氣象學(xué)家與宇宙學(xué)家。

一開(kāi)始愛(ài)因斯坦并不接受這個(gè)批評(píng)，還在期刊上公開(kāi)反駁。但很快，弗里德曼反駁了他的反駁，并從數(shù)學(xué)上精確指出了愛(ài)因斯坦計(jì)算中的疏漏。最終，愛(ài)因斯坦不得不承認(rèn)自己的錯(cuò)誤，撤回了批評(píng)。1923年他開(kāi)始接受膨脹宇宙模型，1931年更是正式承認(rèn)：“宇宙常量在理論上是不能令人滿意的。”他將Λ稱為自己“畢生最大的錯(cuò)誤”。

1925年，物理學(xué)家玻爾正在和愛(ài)因斯坦探討問(wèn)題。

伽莫夫在回憶錄中還提到：愛(ài)因斯坦曾親口對(duì)他說(shuō)，引入宇宙常量Λ是他“一生中最愚蠢的決定”。而伽莫夫自己也對(duì)Λ極度反感，甚至嘲諷這個(gè)以希臘字母Λ命名的常量是“丑陋的尖腦袋”，“不請(qǐng)自來(lái)地在各種理論里出現(xiàn)”。

暗能量導(dǎo)致宇宙膨脹的示意圖

但問(wèn)題并沒(méi)有結(jié)束。20世紀(jì)后期，宇宙學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，宇宙不只是膨脹，而且是在加速膨脹！而解釋這一現(xiàn)象，恰恰需要一個(gè)類似Λ的“斥力”。于是，科學(xué)家們又把這個(gè)被愛(ài)因斯坦拋棄的“愚蠢項(xiàng)”重新請(qǐng)回來(lái)，賦予它新的含義——暗能量的表現(xiàn)形式。

就這樣，Λ像一位命運(yùn)多舛的角色，從理論的“補(bǔ)丁”，到被唾棄的“錯(cuò)誤”，再到今日解釋宇宙命運(yùn)的關(guān)鍵角色。它從來(lái)沒(méi)有真正退出歷史舞臺(tái)。

三

從牛頓到愛(ài)因斯坦

宇宙邊界的困境與突破

其實(shí)早在愛(ài)因斯坦之前，人類就為“宇宙的結(jié)構(gòu)”這個(gè)問(wèn)題糾結(jié)了幾千年。是有限還是無(wú)限？有邊界還是無(wú)邊界？從古代中國(guó)、古希臘到牛頓和康德，這個(gè)問(wèn)題始終難解。

牛頓認(rèn)為宇宙是無(wú)限空間中分布著無(wú)限數(shù)量的恒星，這樣才能避免由于萬(wàn)有引力導(dǎo)致宇宙塌縮的問(wèn)題。但這又導(dǎo)致了另一個(gè)悖論：既然星星無(wú)限多，夜空為什么不是無(wú)限明亮的？這就是所謂的“奧爾勃斯佯謬”。

為了維持“靜態(tài)宇宙”的可能性，19世紀(jì)的德國(guó)學(xué)者馮·諾依曼和馮·希利格甚至也提出過(guò)“宇宙項(xiàng)”的概念，為愛(ài)因斯坦日后引入Λ項(xiàng)提供了理論先聲。

給愛(ài)因斯坦帶來(lái)深刻影響的兩位科學(xué)家：艾薩克·牛頓（左）和伯恩哈德·黎曼（右）。

但真正帶來(lái)突破的，是黎曼幾何的引入。愛(ài)因斯坦用黎曼空間取代了牛頓的“絕對(duì)空間”，提出宇宙可以是“有限無(wú)邊”的。也就是說(shuō)，宇宙像一個(gè)球面，表面是有限的，但沒(méi)有邊緣。這個(gè)思想首次用實(shí)證的方法破解了“宇宙有限是否有邊”的哲學(xué)死結(jié)。

正是這種幾何觀念上的革新，使得廣義相對(duì)論不僅是物理理論的進(jìn)展，更是人類認(rèn)知框架的更新。而Λ項(xiàng)，無(wú)論它多么“丑陋”，在這個(gè)新框架中都獲得了前所未有的地位。

圖/童年和青年時(shí)期的愛(ài)因斯坦

愛(ài)因斯坦在年輕時(shí)，以不輕信任何先驗(yàn)自明的概念而令人嘆服。他雖然在1917年2月文章發(fā)表之前，也發(fā)現(xiàn)他的引力方程會(huì)得出膨脹和收縮解，但是受傳統(tǒng)靜態(tài)觀的影響，迫使他放棄這種可能的解。

圖/晚年愛(ài)因斯坦

而愛(ài)因斯坦，即便犯了“錯(cuò)誤”，依然展現(xiàn)了一個(gè)科學(xué)家的真正勇氣：敢于承認(rèn)失誤，也敢于挑戰(zhàn)整個(gè)宇宙的秩序。這份勇氣，至今仍在推動(dòng)著我們前行。

“Λ”項(xiàng)的“逆襲”

仿佛科學(xué)史上的“反轉(zhuǎn)” 彩蛋

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