Question

静止宇宙，这是爱因斯坦最大的错误

Answer 1

早在17世纪，艾萨克牛顿就提出了第一个有效的综合引力理论：万有引力定律。所有有质量的物体都会以瞬间的力吸引其他物体，这种力由所有物体（或粒子）对之间的距离决定。但是当我们发现狭义相对论，不同的观察者会对这些距离值有不同的看法时，我们发现牛顿万有引力定律存在局限性。

当爱因斯坦在1915年提出广义相对论时，它真正预示了物理学的一场革命。质量不仅仅是引力，所有形式的能量都是引力。空间和时间不是固定的和绝对的，而是作为时空联系在一起，具有相对于每个观察者的属性。时空弯曲和演化基于它所包含的所有物质和能量。只是，当爱因斯坦第一次将它应用到整个宇宙时，一个巨大的问题出现了，故事就是从这里开始。

引力是一种失控的力，这在牛顿和爱因斯坦的引力概念中都是正确的。如果你把一些物质（质量）均匀地分布在整个空间中，你会发现你创造了一个不稳定的平衡系统，就像一块在尖顶上的岩石。只要条件保持完美，物质将保持均匀，岩石将保持平衡。

但只要轻轻推一下岩石，或者在均匀的宇宙中移动一个质量，移动最小的量子距离，就可以保持平衡。一旦质心不再位于尖顶，它将开始经历净扭矩，而该扭矩将导致岩石在短时间内倒塌。对于一个不完美的宇宙来说，同样的道理也是成立，因为最小的扰动将导致失控的引力增长，无论是在局部小体积空间，还是在达到最大的密度、或超过平均值的空间，都会如此。

出现此问题是因为总是存在万有引力。这种力的本质是这样的：一个密度更大的空间区域要么在其体积内有更多的质量（牛顿），要么在时空中的某个特定事件中导致空间曲率更大（爱因斯坦），这将优先吸引周围区域的物质向它靠近。

一旦这种增长开始，它就永远不会停止。稍加时间，你会发现这个最初过密的区域已经发展到更大的密度，现在更有效地吸引物质/能量。事实上，任何学习过广义相对论课程的人都可以学会证明，静止物质的任何初始静态分布都会在自身引力作用下崩溃，不可避免地导致黑洞。

这是引力的特征，不是宇宙缺陷。但对爱因斯坦来说，这是一个巨大的难题。在他提出广义相对论的时候，有许多我们今天认为理所当然的关于宇宙的事实爱因斯坦并不知道。这些事实包括：

相反，爱因斯坦的宇宙观要简单得多：几乎完全均匀的物质分布，主要以恒星的形式存在，随着时间的推移，这种分布保持不变。

你看到问题了吗？如果爱因斯坦的引力理论广义相对论是正确的，那么一个静止的、统一的宇宙将是不稳定的。另一方面，如果爱因斯坦认为宇宙是静止的和统一的概念是正确的，就不应该像爱因斯坦所阐述的那样用广义相对论来描述宇宙。

换句话说，宇宙不能既静止又统一，也不能用爱因斯坦的宇宙物质/能量与时空性质/曲率之间的关系来描述，一定还有别的东西在“玩”。

爱因斯坦最初的解决方案——他后来称之为“最大的错误”——确实是添加了其他东西：宇宙常数。

引力总是一种吸引力，它是一种力，它越强，分隔任何两个物体的时空间隔越小。然而，他的方程允许加法增加宇宙常数。常数的行为就好像它是一个具有均匀、正能量密度的场，但也是改变了宇宙的行为负面因素。

特别是，一个由宇宙学常数支配的宇宙，会看到你选择的任何两点之间的距离，随着时间以一种特定（指数）的方式增加。爱因斯坦选择将这两种效应相互对立：

通过将宇宙常数调整到正确的值，他可以通过平衡宇宙效应和这个常数来对抗引力。

当然，这一点都不令人满意，因为这也是一个不稳定的解决方案。把一个质量移得离另一个质量近一点，引力就克服了宇宙常数，导致了失控的引力增长。把一个质量移得远一点，宇宙常数就太大了，它会无休止地加速这个质量物体。所有研究这些方程的人——可能也包括爱因斯坦——都认识到这不可能是真正的答案。

但要想找出正确的答案，首先需要一些理论上的发展。尽管在牛顿理论中很容易找到质量运动的精确解（只要把他的万有引力定律和运动定律结合起来），但即使在今天，广义相对论中也只有不到20个唯一的精确解。然而，最能模拟我们的宇宙的是，用任何你能创造的广义能量形式，在最大尺度上均匀地填充宇宙。

然而，不是爱因斯坦解决了这个问题。1922年，亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）是第一个，控制宇宙在最大尺度上均匀填充的方程——也就是说，宇宙是各向同性的（在所有方向上都是一样的）和均匀的（在任何地方都是一样的）——允许我们将宇宙的演化与其能量含量联系起来。在世界其他地方，乔治·莱玛·特雷、霍华德·罗伯逊和Art Walker也得出了同样的解决方案。

这个解决方案最疯狂的一点是，它明确地表明，宇宙的时空结构，充满了同样数量的物质，在任何地方都不能保持静止，即使你包括一个宇宙常数。相反，它必须膨胀或收缩；没有其他可用的选项。如果宇宙充满物质和能量，只需要观察遥远的星系。如果它们的光移向更高的能量（波长越蓝），距离越远，它就会收缩；如果移向较低的能量（波长越红），它就会膨胀。

主要使用Vesto Slipher的红移数据，以及由埃德温·哈勃（Edwin Hubble）和米尔顿·胡马森（Milton Humason）拍摄的光学数据的距离推论，我们可以立即开始告诉星系，红移越远，它们就越显著。我们可以得出结论宇宙正在膨胀。

如果宇宙在膨胀，那么它就不是静止，所以没有必要发明宇宙常数来防止宇宙塌缩成黑洞。爱因斯坦对宇宙的行为做了一个错误的假设，以宇宙常数的形式来修正宇宙发展，这证明了他最初的假设存在缺陷。

当他称宇宙常数为他的"最大失误"时，这确实是一个错误；如果他反而听了方程告诉他，他就能预测到宇宙的膨胀！

今天，就像20多年来的每一天一样，科学界的共识是，确实有一种效应，其表现就像宇宙中的宇宙常数：宇宙的加速膨胀。只是，今天，我们不要求它必须是宇宙学常数；我们把它当作另一种广义的能量形式，它有自己独特的性质，必须通过观测来确定暗能量。

我们今天看到的加速膨胀表明暗能量的行为与宇宙学常数的行为是不可区分的，这是非常有趣一件事情。毫不夸张地说，理解和解释暗能量是21世纪科学面临的最大挑战之一。

但 历史 并没有重现，爱因斯坦终究错了。虽然我们的宇宙实际上可能有一个非零的宇宙常数，但它并不能稳定我们的宇宙。相反，我们的宇宙一点也不稳定；它正从最初的热的、稠密的、均匀的状态膨胀到我们今天看到的寒冷的、稀疏的、富含星系的宇宙。

爱因斯坦错过了所有这些，因为他坚持静止宇宙存在，并发明了宇宙常数来实现这一目标。把它拿走，就会得到一个非常像我们今天的宇宙。影响我们宇宙的宇宙常数，会打破膨胀和其他形式的物质与能量之间的平衡；它使遥远的星系加速远离我们，将宇宙推开。如果爱因斯坦预言了，那就太不可思议了。相反，他强迫方程符合他（不正确的）假设，错过了膨胀的宇宙。