爱因斯坦也有错误的时候 06

本系列文章预计会有10个章节，这套文献将系统的讲述物理学本身，今天是第二季第6篇。

今天我们接上物理学第一季最后一节来谈，自从爱因斯坦相继提出了广义相对论之后，广义相对论深刻地影响着我们对宇宙的理解，并开创了“宇宙学”这一正式的学科。

我想为什么宇宙学为什么不会节选在中学课本，其本质原因是与我们所知的世界相差太大，有可能会影响你的世界观，再者物理学的研究还在继续，况且我们所认识的宇宙可能连0.1%都不到。所以不能轻易放在教科书中。

01 宇宙是静态的吗？

20世纪初，人们对宇宙的基本认知范式是，宇宙是静态的、永恒的，而不是收缩和膨胀的。

爱因斯坦非常坚定地认为宇宙是静态的。但，当爱因斯坦将广义相对论和他的引力公式应用到整个宇宙后，他的广义相对论原始方程却预言宇宙是不稳定的。

所谓地不稳定和宇宙演变地状态有关，经过爱因斯坦推断发现，如果宇宙的曲率是正的，时空就会不断收缩；如果曲率是负的或者是0，时空就会不断膨胀，这一点坚决不同意。

为了使公式符合他所相信的一种均匀的、各向同性的静态宇宙假设，在引力公式中人为地添加了一个被称为宇宙常数的项。爱因斯坦意识到，通过仔细选择宇宙常数的值，他可以完全抵消传统的引力吸引，阻止宇宙坍缩，这样就可以解释一个静态的、永恒的宇宙。

(广义相对论方程，红色的表示宇宙常数)

但是，总有一些有思想的学者总会从中发现问题。

俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼，对宇宙常数提出了质疑。他更倾向于广义相对论的原始方程，从这个简单、美丽的广义相对论公式——不含宇宙常数——出发，找到了爱因斯坦原始方程基本的、均匀的、各向同性的解法。

1922年，弗里德曼把他的研究结果发表在德文版的《物理学杂志》上。弗里德曼的宇宙模型，由于其中没有宇宙常数，充分尊重爱因斯坦的原始方程，这使得宇宙模型成为一个动态的、演化的宇宙。

这就是说，宇宙时空是一个在宇宙尺度上不断演化膨胀的过程，而不是整体上保持静止的永恒状态。

但是当时的爱因斯坦否认弗里德曼的看法，因为爱因斯坦一如既往的坚信这个宇宙是稳定的。

后来，爱因斯坦承认了自己的错误，认为弗里德曼在数学上是正确的，但他仍坚持这个正确的数学没有物理意义。悲剧的是，弗里德曼刚刚发展出一个超越时代的宇宙视野，便去世了。

02 宇宙学说的起点

在弗里德曼去世后几年，比利时宇宙学家乔治·勒迈特研究广义相对论方程背后的物理实在，他独立重新发现膨胀的宇宙模型。

勒迈特是第一位在物理学和天文学观测框架内提出大爆炸假说的科学家。他对自己的模型深信不疑，并形象地把宇宙大爆炸比喻成烟花。勒迈特猜想，如果宇宙确实在膨胀，那么宇宙应该是从小变大的，从逻辑上讲，假设我们可以回到足够远的过去，那么时空将缩回到一个非常小的点。

勒迈特的想法，其中一个重要的启示是，广义相对论暗示宇宙有一个创生的时刻。在这一瞬间，这个无所不包的点突然爆炸衰变，产生出当今宇宙中所有的物质。

勒迈特于1927年公布了自己的理论模型，并在这一年参加了著名的索尔维会议，见到了爱因斯坦。爱因斯坦告诉勒迈特，在他之前俄罗斯数学家弗里德曼也有类似的想法。

像回应弗里德曼的理论一样，爱因斯坦当面告诉勒迈特：“你的计算是正确的，但你的物理意义是错的。”可想而知，勒迈特很沮丧，命运要他再多等几年的时间，直到哈勃出现。

03 哈勃的发现

1924年，美国天文学家哈勃的观测标志着现代宇宙论的诞生。因为当时人们认为银河系是宇宙唯一的星系，而哈勃证明，我们的银河系不是唯一的星系，宇宙中有无数个银河系。

哈勃让我们现代的宇宙图像从此被奠定。

同时，哈勃还发现，从星系光谱的红移可以推断，越远的星系以越快的速度离开我们而去，这表明整个宇宙处中所有的物质。

1917年，荷兰天文学家德西特（Willem de,Sitter）找到了被修正的爱因斯坦理论的另一个解法。尽管这个解法看似还是静态的，但它有一个非凡的特点，即预测红移与距离成正比。后来，哈勃指出，正是德西特模型使天文学家开始关注红移与距离彼此相依赖的重要性。

多普勒频移效应是说，光发生器远离观察者的运动使得它发出的光看上去具有更长的波长。这种波长的增加通常称为红移，因为红色处在可见光谱的长波长一端。同样，光发生器趋近造成的波长的变短称为蓝移。

所以，通过对星光谱线移动的观测，天文学家能够看出，某些恒星是朝着地球运动，还是远离地球运动。

1931年，哈勃发表了一篇论文，数据表明，宇宙真的是在不断扩张，而且呈系统性方式进行。

英国物理学家爱丁顿通过将空间比作膨胀的气球表面解释了宇宙大爆炸的形式，气球表面所覆盖的点代表星系。如果气球膨胀到原来的直径两倍，那么各点之间的距离也将翻倍，因此实际效果相当于各个点彼此分开。这样就清楚了，红移的真正原因是空间的延伸。

几乎难以想象，像爱因斯坦这样的天才也会犯错，而事实确实如此。

可以看出，宇宙常数的错误正是证明宇宙是正在膨胀的关键因素，那么膨胀的起点在哪？这就到了宇宙大爆炸学说的诞生！

下一讲再谈！

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