柔软的宇宙14-关于宇宙常数

追風情缘

关于宇宙常数

大家对“万有引力”都有切身和直观的感受，地球的重力以及日月星辰的圈圈运动等。但是相对于其它3种作用力：强力、弱力甚至电磁力来说就显得太弱小了。电磁力比引力要强10³⁷倍，举个栗子：一块普通磁铁就能让铁块克服地球的引力，而被磁铁所吸引。所以广义相对论在微观层面体现不出来，只有宏观至宇宙级别才是它最大的舞台。
解引力场的偏微分方程必须要有初始条件和边界条件，爱因斯坦认为过去的宇宙和现在的宇宙并没啥不同：宇宙就一直是现在这样不变的。远处的天体和近处的天体看起来都差不多，并没有明显差异，因此就以现在的状况作为宇宙的初始条件；那边界条件呢？爱因斯坦认为我们这个宇宙是个“有限无边”的宇宙，一般的物体都是有限的，起码体积和重量都是有限的，但无边怎么理解呢？爱因斯坦说：你看过球么？当然，我见过和摸过很多的球。爱因斯坦嘿嘿一笑，接着说：比如地球表面积是有限的，但是你能找到地球的边界在哪里么？我们的宇宙也是类似的情况，宇宙可能是个三维超级球面（回忆下“黎曼几何”），因为没有边界，那么边界条件就不要了。
爱因斯坦铆足了劲开始解这个方程式，越解越不对劲，完全没办法得到一个静态的宇宙：这个宇宙是动态的，不会老老实实地维持现状，宇宙始终在变化，要么膨胀、要么收缩，收缩到极致还会反弹，就像一个跳动的心脏。但爱因斯坦并不喜欢变化的宇宙，在他观念中，宇宙是静态的、稳定的、不随时间变化的，于是他一抬手就给自己的方程式加了一个常数，这个常数用来平衡宇宙的运动和演变，这样就能得到一个不变的宇宙了。
这样“场方程”就变成了带有宇宙项的样子，宇宙项本身意味着排斥效应，这样就可以平衡引力导致的收缩效应，从而达到了稳定平衡。爱因斯坦多少有点纠结：因为宇宙项并没有物理上的根据，仅仅是为了满足不变的宇宙而硬塞上去的，但是爱因斯坦意想不到的是，他无意间放出了一个“幽灵”，给当今的物理学家带来了无尽的烦恼。
1929年哈勃发布了一个重要的成果：他分析了二十几个星系的光谱，发现越远的星系，红移越厉害，越近的红移反而不明显。所谓红移，就是观察天体的光谱，会看到不少的谱线，这些谱线就像指纹一样，是有特征的。因为每个天体上有氢、氦等元素，就会在光谱中形成对应的“指纹”，可以通过光谱来分析天体的化学成分。但是哈勃发现每个星系的“指纹”都不一样，大部分都略往红端偏移，这就是所谓的红移。哈勃认为这些偏移是星系运动造成的，远离我们的星系，光谱就会偏红，哈勃说这是因为多普勒效应：好比汽车按着喇叭离我们而去时，音调会变低是一样的道理（其实红移是因为宇宙本身的空间膨胀，导致光波被逐渐拉长了，而非多普勒效应）。
哈勃提出了一条著名的哈勃定律：退行速度和距离成正比（比值称为哈勃常数），所有的遥远星系都在远离我们，离得越远跑的越快。天文学界和物理学界都震动了，原来宇宙从整体上并非静态的。勒梅特神父听到消息后高兴坏了，因为这印证了他的猜想：宇宙膨胀真实存在，宇宙真的是从一个蛋里蹦出来的。最形象的比喻就是把宇宙比作一个气球，上面随便涂上几个黑点，当气球被吹大，每个点彼此在远离；无论你从哪一个点去观察别的点，你都会发现离你近的黑点跑的慢，离你远的跑的快，和哈勃看到的天体红移现象是一致的。
哈勃观测到了哈勃红移，并计算出了哈珀常数，这证明了宇宙中的天体的确不是静止的，事实摆在面前，爱因斯坦也为之震动，据说他非常后悔地认为“宇宙常数”是他一生中最大的错误。这也说明爱因斯坦小看了“场方程”，他对宇宙还有某种传统上的执念。这一年爱因斯坦已经50岁了，预示着他已过了创造力最鼎盛的阶段。（参考自:吴京平-柔软的宇宙）
1998年，天文学家们发现，宇宙不只是在膨胀，而且在以前所未有的加速度向外扩张，所有遥远的星系远离我们的速度越来越快。那么一定有某种隐藏的力量在暗中把星系相互以加速膨胀的方式撕扯开来，这是一种具有排斥力的能量，科学家们把它称为“暗能量”。科学家们通过各种的观测和计算证实，暗能量不仅存在，而且在宇宙中占主导地位，它的总量约达到宇宙总量的73%，而宇宙中的暗物质约占23%、普通物质仅约占4%。
爱因斯坦加入了宇宙常数的宇宙学“场方程”并不能导出完全静态的宇宙：因为引力和宇宙常数是不稳定的平衡，一个小小的扰动就能导致宇宙失控的膨胀和收缩。而“暗能量”的发现告诉我们，爱因斯坦引入作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在，而且大大扰动了我们的宇宙，使宇宙的膨胀速率严重失控。在经历了一系列曲折后，宇宙常数在时间中复活了。
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