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暗能量:爱因斯坦的画蛇添足还是神来之笔

2017-11-17 23:44:26科技日报评论(我要点评) 字体

  1915年底,爱因斯坦创立了广义相对论。1917年,他使用广义相对论研究宇宙。爱因斯坦发现,自己的方程居然推导出一个不稳定、不静止的宇宙。这使他很震惊。长期以来,宇宙就被当作静止的背景,它为什么会动?

  于是,他在方程里面加了个常数,这个常数体现了一个排斥力,自身的数值极小,在太阳系内完全无法与引力抗衡,所以我们感觉不到它。这个常数就是“宇宙学常数”。有了这个常数,爱因斯坦终于可以让宇宙静止了。

  爱因斯坦的老朋友、莱顿大学教授、莱顿天文台台长德西特是最早读懂爱因斯坦广义相对论论文的几个人之一。德西特读了爱因斯坦的新论文后,进行了一些有趣的计算。爱因斯坦的宇宙中,物质为主,宇宙学常数为辅。德西特却假定宇宙中没有物质,只有宇宙学常数。他计算出一些有趣的结果,比如,距离越远,质量忽略不计的实验粒子发出的光越红,或者说,“红移”越大。

  根据多普勒原理,光源远离观测者时,会发生红移。作为一个观测天文学家,德西特知道,洛威尔天文台的天文学家斯里弗曾经于1913年宣布他观测的十几个“旋涡星云”中,除了仙女星云之外,都发生了红移,意味着它们在远离地球,速度最大的达到了大约1000千米每秒。德西特猜测这些星系的红移与自己的理论符合。

  德西特把爱因斯坦的宇宙学称为“A解”,把自己的新解称为“B解”。但爱因斯坦本身不大认可德西特的新模型。

  1922年,苏联数学家与气象学家弗里德曼证明,即使有宇宙学常数,宇宙也依然不静止,它可能膨胀,可能收缩。爱因斯坦被迫接受了这个结果,但不认为这是物理上真实的宇宙。

  1924年,德国的维尔兹和瑞典的伦德马克都已经注意到斯里弗的观测与德西特的理论,想测定那些旋涡星云的距离,以检验它们的红移与距离是否存在某种相关性,比如德西特模型中那种“越远的越红”的关系。但他们都没有得到精确的距离,因此无法验证距离与红移的相关性。

  1927年,比利时的勒梅特发表了一篇论文,用广义相对论计算宇宙,并计算出宇宙在膨胀,星系的红移(退行速度)与距离成正比。他把论文寄给曾经的导师爱丁顿和爱因斯坦,爱丁顿没注意,爱因斯坦说数学上对了、物理上错了。

  1928年,哈勃访问欧洲,遇到了德西特,德西特希他能去测量那些旋涡星云的距离,来验证自己的理论:越远的旋涡星云,红移越大。哈勃回到加州的威尔逊天文台后,立即着手测量,很快得到结果:星系的红移(速度)与距离成正比。德西特、爱丁顿、勒梅特三人交流讨论后,断定勒梅特的理论预言符合哈勃的观测:宇宙在膨胀,星系远离的速度与距离成正比。

  爱因斯坦这才为自己当初为保持宇宙静止而引入宇宙学常数懊悔不已,他说这是他人生中最大的错误。他正式、彻底放弃了宇宙学常数。

  可到了1998年,两个独立的国际小组测量了一批遥远超新星的距离,发现宇宙在加速膨胀,这意味着宇宙中存在一种排斥力,而宇宙学常数也起到排斥力的作用,这神秘的力量因此就被称为“宇宙学常数”。由于其具体性质可能与宇宙学常数有差异,所以它也被更广泛地称为“暗能量”。但是,即使暗能量不是宇宙学常数,其排斥力的性质却还是与宇宙学常数一致。

  爱因斯坦歪打正着地引进了它,却又带着懊悔无比的心情放弃了它。可它像幽灵,去而复回。

  暗能量的发现,引起物理学和天文学的一场革命。当然,爱因斯坦和德西特都不可能活着看到这个惊人的结果。德西特在1934年去世,爱因斯坦在1955年去世。他们伟大的一生中,对宇宙学最后一个关键性贡献是在1932年合作提出“爱因斯坦―德西特模型”。这个模型中,宇宙中只有物质,没有宇宙学常数。此后到1998年,这个模型一直是最标准的宇宙学模型。即使是在暗能量被发现之后,人们还是发现这个模型可以很好地描述前几十亿年的宇宙,那段时间暗能量还没占据上风。

  提出这个模型不久后,他们和爱丁顿参加了一次会议,会上讨论了这个模型。散会后,爱因斯坦偷偷塞给爱丁顿一张纸条,爱丁顿打开后,看到上面写着:“其实我对这个理论不满意,都是德西特在坚持。”不一会儿,爱丁顿又收到偷偷塞来的纸条:“其实我对这理论不满意,但是爱因斯坦很喜欢。”