Question

爱因斯坦添加“宇宙常数”的真正原因是什么？

Answer 1

现代宇宙学的起源是爱因斯坦1917年发表的论文《广义相对论的宇宙学思考》，但内容与评注中的介绍大相径庭。将整个宇宙结构方程代入相对论方程，结果表明宇宙是动态变化的，但认为这很奇怪的爱因斯坦并没有在原方程中找到宇宙。

爱因斯坦大学毕业后找不到研究工作，在瑞士专利局工作了一段时间，检查申请文件。其间，他写了一篇物理学论文，但忙于在图书馆研究，在不了解洛伦兹和庞加莱的前沿研究的情况下，他写了一篇狭义相对论的论文。或许因为这份职业，他的论文有些业余。

专业物理学家不写多余的东西，只总结要点，但爱因斯坦很有趣，因为它描述了他基于什么样的想法。在他的宇宙学论文中，他的宇宙观得到了充分的发展。

这篇论文是基于星系是唯一存在于外层空间的天体的时间动力学理论。当我无限远离星系时，我已经研究了关于空间几何特性的各种事情，但我找不到合理的答案。他写道，他想出了一个球状结构，直行时会回到原点，作为一个“不能远离星系”的空间。

但是，即使代入球面空间方程，也不能满足基本的相对论方程。因此，我选择了将基本方程改为加入宇宙常数的形式。满足修正方程的球面空间的解就是所谓的“爱因斯坦静止宇宙”。从这些描述中可以看出，对他来说重要的是他离开银河系时的几何结构，并且他最终没有将随时间的变化视为问题。

遵循爱因斯坦的球面空间思想，弗里德曼讨论了它的动力学行为。他的论文发表于 1922 年，在科学史书中经常被描述为“考虑没有宇宙常数的方程的解”，但事实并非如此。加上宇宙常数时的解是按情况计算的。

弗里德曼的论文中存在一些数学错误，但可以通过阅读原始论文推断出原因。

由于现代物理学中的许多基本方程都是偏微分方程的形式，现在向理工科大学生教授偏微分方程已经司空见惯。然而，在20世纪初，即使在西欧，也尚未建立系统地教授偏微分方程的体系。

在弗里德曼所在的俄罗斯，教育系统会进一步延迟。在他犯错的地方，他引用了 Weierstrass 1866 年前的一篇旧数学论文，但他可能没有机会获得有关分析研究等的最新文献。

勒梅特与弗里德曼一起在宇宙学研究中发挥了重要作用。他在 1927 年表明，爱因斯坦静止的宇宙是不稳定的，并在轻微波动的情况下转向膨胀。有时有人说勒梅特讨论了包括宇宙常数在内的方程的通解，与弗里德曼不同，但实际上，是弗里德曼讨论了通解，而勒梅特主要处理的是特解。

尽管在一个鲜为人知的比利时期刊上以法语发表，勒梅特的论文还是引起了英国天文学大亨爱丁顿的注意，并成为众人瞩目的焦点。爱丁顿建议将论文翻译成英文进行传播，勒梅特自己的英文译本于 1931 年出版。今天，英文翻译主要收录在宇宙学论文集中。

这个英文翻译与原论文有一些不同。你现在可以在网上找到法文原版，所以如果你有兴趣，搜索它。

原论文没有提到弗里德曼，但他并没有窃取他的成就，他根本不知道。在英文翻译中，新添加的注释提供了正面评价。

重要的是，在英文翻译中，讨论观测数据与理论预测之间关系的部分已被完全删除。删除的原因尚不清楚，但也许哈勃在 1929 年发布了遥远星系的最新数据，因此他认为没有必要保留旧数据。然而，如果缺失的仍然存在，那么斯利弗在哈勃之前就已经观测到了星系的衰退速度，这一点会更广为人知。

此外，勒梅特预测在遥远的星系中发现的红移与距离之间会存在比例关系，并使用哈勃之前的数据进行验证。哈勃在他的论文中根据自己的观测数据坚持了这个比例关系，但是那里显示的数据有很大的误差，很难承认这个比例关系本身成立。

哈勃借鉴了勒梅特的想法并主张比例性，因为勒梅特和哈勃都在 1928 年参加了一次国际会议，在那里他们就红移和距离之间的关系交换了意见。可能是这样。考虑到这些情况，2018 国际天文学联合会大会决定将之前所谓的“哈勃定律”重新命名为“哈勃定律”。