大风号

爱因斯坦最大失误或正颠覆宇宙学

天文online

08-06 22:28 来自北京

爱因斯坦最大失误？颠覆宇宙学理论的“宇宙学常数”卷土重来

爱因斯坦宇宙学常数示意图

图片来源：库存图片

爱因斯坦的方程揭示了宇宙应该是演化的而非静止的，这促使他引入宇宙学常数以维持当时人们所接受的宇宙图景。

广义相对论与宇宙演化

引力是自然的起点。宇宙平均而言是电中性的，因此电磁力无法解释其在最大尺度上的行为。爱因斯坦当时也对强核力和弱核力一无所知（公平地说，当时没人知道），但这两种力都只在极短距离内起作用。

宇宙学始于引力

宇宙学因此始于引力。一旦物理学家将物质和能量汇聚成他们称之为宇宙的东西，他们就可以用爱因斯坦方程来探究它应该如何演化。这个答案让他感到惊讶。广义相对论自然描述了一个动态的宇宙——要么膨胀要么收缩，而当时主流科学观点认为宇宙是静态的，并且在其整个历史中都没有变化。

爱因斯坦修改方程

爱因斯坦让宇宙静止

爱因斯坦没有接受他的方程所暗示的结果，而是调整了方程以符合他那个时代的观测结果和假设。他引入了一个宇宙学常数，用希腊字母Lambda表示，广义相对论本身已经允许这种常数的存在。这个常数是一种内置于时空本身的引力效应，即使在其他方面空无一物的空间中也存在。根据其数值的不同，它可以产生引力或斥力。爱因斯坦选择了一个能抵消物质引力的数值，使得他的宇宙模型保持稳定。

宇宙学常数示意图

仅仅几年后，埃德温·哈勃发现了宇宙正在膨胀，其他理论家，比如俄罗斯宇宙学家亚历山大·弗里德曼，会从表面意义上理解爱因斯坦的方程，并为大爆炸理论提供理论支持。至于爱因斯坦本人，他后来对朋友说，加入宇宙常数是他最大的错误。

预期的放缓变成了加速

多年前，两组天文学家着手解决一个持续了数十年的关于宇宙中物质总量的争论。一些观测结果表明宇宙中几乎没有物质，而另一些则认为物质含量很高。宇宙正在膨胀，但其中的物质本应减缓这种膨胀——通过测量这种减速，他们就能了解物质的总量并解决这场争论。

宇宙加速膨胀观测图

他们确实这么做了……算是吧。他们没有发现减速，反而测到了加速。宇宙中的物质仍然不多，但即使存在的这些物质也不足以让膨胀减速。

至于那种加速现象，最简单的解释方式就是——你猜对了——引入宇宙学常数，这是一种存在于宇宙中的基本背景反引力效应。在爱因斯坦抹去他的失误数十年后，这个常数卷土重来，成为解释数据的最佳理论。

暗能量取代了旧模型

过去，宇宙学家们构建了一个详细的框架，它被有些大胆地称为宇宙学标准模型（物理学家们喜欢将具有凝聚力、协作性的共识模型称为标准模型）。宇宙膨胀正在加速这一发现使得该模型不再适用。

它的替代理论是我们目前对宇宙自大爆炸以来如何演化的最佳解释：ΛCDM宇宙学。Λ代表宇宙学常数，通常与暗能量相关。CDM代表冷暗物质，它提供了几乎每个星系的大部分质量。冷暗物质是一个单独的话题，因此这里的重点是Λ。

一个成功的模型可能仍然会失败

Λ冷暗物质模型极为成功。它是一个相对简单的模型，能够解释宇宙的膨胀历史、背景辐射的出现、重子声学振荡特征、星系和大尺度结构的形成等等。它是全科学领域中研究最深入、测试最充分的理论之一。

而且这几乎可以肯定是错误的。

改编自最初发表于《今日宇宙》的一篇文章。