愛因斯坦干的最大“蠢事”，今天仍發(fā)人深思

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

1921年，愛因斯坦獲得諾貝爾物獎后的官方肖像

1917年，愛因斯坦干了一件他后來親口承認的“終身最蠢的事”——他在廣義相對論的引力方程中添加了一個奇怪的“宇宙常量Λ”，只為讓宇宙在理論上保持“靜止”。

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

多年后，這個被他稱為“愚蠢項”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，甚至成為我們理解宇宙加速膨脹的關(guān)鍵。

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

一

為了“靜態(tài)宇宙”

他親手在方程里加了個“怪項”

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

愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言：足夠致密的質(zhì)量可以使時空變形，形成黑洞。這張黑洞照片是由事件視界望遠鏡于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，看上去天體的分布與運動總體上是平衡穩(wěn)定的。為了讓自己的方程符合這個“常識”，愛因斯坦發(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，他引入了一個全新的修正項——宇宙常量Λ，用來提供一種“斥力”，抵消引力的收縮趨勢。這個項不是來源于任何物質(zhì)或能量，而是被強行“鑲嵌”進時空本身的結(jié)構(gòu)中。它的效果非常奇特：距離越遠，這個斥力越強，與我們?nèi)粘＝?jīng)驗中的所有力都不同。

圖/愛因斯坦與質(zhì)能方程

雖然愛因斯坦自己也覺得這個項在“美學(xué)”上不夠優(yōu)雅，甚至在給朋友的信中自嘲“快要被這個理論逼瘋”，但他還是把它寫進了自己的論文中，只為成就一個符合時代直覺的“靜態(tài)宇宙”。

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

二

“愚蠢項”Λ

被他人丟棄、痛斥、又重新?lián)炱?/strong>

愛因斯坦以為這樣就萬事大吉了，沒想到，他的這個“補丁”，被許多后來的科學(xué)家視為累贅。

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

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。

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

1925年，物理學(xué)家玻爾正在和愛因斯坦探討問題。

伽莫夫在回憶錄中還提到：愛因斯坦曾親口對他說，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Λ極度反感，甚至嘲諷這個以希臘字母Λ命名的常量是“丑陋的尖腦袋”，“不請自來地在各種理論里出現(xiàn)”。

暗能量導(dǎo)致宇宙膨脹的示意圖

但問題并沒有結(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，恰恰需要一個類似Λ的“斥力”。于是，科學(xué)家們又把這個被愛因斯坦拋棄的“愚蠢項”重新請回來，賦予它新的含義——暗能量的表現(xiàn)形式。

就這樣，Λ像一位命運多舛的角色，從理論的“補丁”，到被唾棄的“錯誤”，再到今日解釋宇宙命運的關(guān)鍵角色。它從來沒有真正退出歷史舞臺。

三

從牛頓到愛因斯坦

宇宙邊界的困境與突破

其實早在愛因斯坦之前，人類就為“宇宙的結(jié)構(gòu)”這個問題糾結(jié)了幾千年。是有限還是無限？有邊界還是無邊界？從古代中國、古希臘到牛頓和康德，這個問題始終難解。

牛頓認為宇宙是無限空間中分布著無限數(shù)量的恒星，這樣才能避免由于萬有引力導(dǎo)致宇宙塌縮的問題。但這又導(dǎo)致了另一個悖論：既然星星無限多，夜空為什么不是無限明亮的？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)的德國學(xué)者馮·諾依曼和馮·希利格甚至也提出過“宇宙項”的概念，為愛因斯坦日后引入Λ項提供了理論先聲。

給愛因斯坦帶來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）。

但真正帶來突破的，是黎曼幾何的引入。愛因斯坦用黎曼空間取代了牛頓的“絕對空間”，提出宇宙可以是“有限無邊”的。也就是說，宇宙像一個球面，表面是有限的，但沒有邊緣。這個思想首次用實證的方法破解了“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，使得廣義相對論不僅是物理理論的進展，更是人類認知框架的更新。而Λ項，無論它多么“丑陋”，在這個新框架中都獲得了前所未有的地位。

圖/童年和青年時期的愛因斯坦

愛因斯坦在年輕時，以不輕信任何先驗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/晚年愛因斯坦

而愛因斯坦，即便犯了“錯誤”，依然展現(xiàn)了一個科學(xué)家的真正勇氣：敢于承認失誤，也敢于挑戰(zhàn)整個宇宙的秩序。這份勇氣，至今仍在推動著我們前行。

-End-

觀點資料來源：《科學(xué)大師的失誤》