相對(duì)論驚到了 愛(ài)因斯坦

易音信

愛(ài)因斯坦被譽(yù)為繼伽利略、牛頓之后人類(lèi)最偉大的科學(xué)家，是現(xiàn)代物理學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者和奠基人之一。他的偉大貢獻(xiàn)、他的想象力都是學(xué)生從小在學(xué)校里就開(kāi)始接觸了。

相對(duì)論是愛(ài)因斯坦最偉大的發(fā)現(xiàn)，這源于他一系列的思想實(shí)驗(yàn)，即所有一切都是在他頭腦中假設(shè)、演繹、推斷出來(lái)的，也因此他的想象力和思考能力被后人推崇備至。相對(duì)論，特別是廣義相對(duì)論，非常奇妙地預(yù)言到了一系列宇宙奇特現(xiàn)象，但是當(dāng)根據(jù)相對(duì)論推導(dǎo)出這些宇宙現(xiàn)象時(shí)，愛(ài)因斯坦卻被驚到了以至于不敢相信，甚至否認(rèn)。

對(duì)宇宙常數(shù)的反復(fù)

當(dāng)年愛(ài)因斯坦研究引力與廣義相對(duì)論時(shí)，人類(lèi)的天文學(xué)知識(shí)還很落后，認(rèn)為宇宙是靜態(tài)而穩(wěn)定的空間——既不膨脹，也不收縮。但愛(ài)因斯坦的公式卻讓他十分驚訝：公式表明宇宙要么在膨脹，要么在收縮，但就是不能保持靜止！

面對(duì)著如此不符合“常識(shí)”的公式，愛(ài)因斯坦覺(jué)得他唯一的選擇就是引進(jìn)一個(gè)附加因素，以使他的理論導(dǎo)出一個(gè)靜止不變的宇宙。這個(gè)附加因素就是宇宙常數(shù)，宇宙常數(shù)更準(zhǔn)確的說(shuō)法應(yīng)該是“宇宙常量”，它代表著真空中有一種看不見(jiàn)的能量，其密度是一個(gè)常數(shù)，會(huì)產(chǎn)生宇宙排斥力。同引力相反，它隨著天體之間距離的增大而增強(qiáng)。這是一個(gè)假想的、用以抵消引力作用的力。宇宙常數(shù)就是指這種宇宙空間中恒定的能量密度。我們只要調(diào)整這個(gè)常數(shù)，就可以平衡引力與宇宙排斥力，而得到靜止且封閉的宇宙。

多年以后，美國(guó)天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙在不斷膨脹，顛覆了靜態(tài)宇宙觀，這時(shí)愛(ài)因斯坦才意識(shí)到自己的錯(cuò)誤，就急急忙忙把方程中的宇宙常數(shù)項(xiàng)去掉了，并把宇宙常數(shù)稱(chēng)為自己“一生中最大的錯(cuò)誤”。

然而，令人驚奇的是，隨著對(duì)膨脹宇宙的不斷研究，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)膨脹速率在增加（河外星系在加速遠(yuǎn)離銀河系），卻沒(méi)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致加速膨脹的因素是什么，于是便設(shè)想出暗物質(zhì)和暗能量，尤其暗能量極可能是這種神秘因素。暗能量的發(fā)現(xiàn)告訴我們，愛(ài)因斯坦那作為與引力相抗衡的宇宙常數(shù)不僅確確實(shí)實(shí)存在，而且大大擾動(dòng)了我們的宇宙，使宇宙的膨脹速率嚴(yán)重失控。在經(jīng)歷了一系列曲折后，被愛(ài)因斯坦拋棄的宇宙常數(shù)正在時(shí)間中復(fù)活。

對(duì)引力波猶疑不定

引力波是時(shí)空結(jié)構(gòu)中的漣漪，幾年前被科學(xué)家實(shí)際探測(cè)到了。它使天文學(xué)家多了一種研究宇宙的新方法，也預(yù)示著開(kāi)啟一個(gè)新的天文時(shí)代。它也是對(duì)愛(ài)因斯坦相關(guān)理論的重大驗(yàn)證，因?yàn)?00年前他提出的廣義相對(duì)論就推論出引力波必然存在。

但是，在廣義相對(duì)論發(fā)表后的20年時(shí)間里，愛(ài)因斯坦卻對(duì)引力波是否存在一直游移不定。因?yàn)樵谟?jì)算過(guò)程中，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)時(shí)空中某個(gè)地方存在“奇點(diǎn)”，意味著無(wú)法在那里用數(shù)字表示引力波的大小。既然奇點(diǎn)無(wú)法表示，那就證明引力波不存在了。于是愛(ài)因斯坦寫(xiě)了論文寄出去準(zhǔn)備發(fā)表，宣布引力波不存在。

事實(shí)上，問(wèn)題出在奇點(diǎn)而非引力波。那個(gè)奇點(diǎn)只是坐標(biāo)奇點(diǎn)，好比北極點(diǎn)。地球上任何地方可用經(jīng)緯度來(lái)表示坐標(biāo)，但北（南）極點(diǎn)例外，因?yàn)樗薪?jīng)線都經(jīng)過(guò)那里。無(wú)法用數(shù)字表示，這不代表北極點(diǎn)不存在，更不代表無(wú)法到達(dá)那里。因此在那個(gè)所謂的奇點(diǎn)，引力波仍然可以到達(dá)。審稿人收到愛(ài)因斯坦的論文后，專(zhuān)門(mén)寫(xiě)了10頁(yè)報(bào)告指出論文可能有錯(cuò)誤，就退了回去。愛(ài)因斯坦對(duì)此很生氣。

對(duì)其它推論也不相信

根據(jù)廣義相對(duì)論，時(shí)空因引力而扭曲，最后必然出現(xiàn)一個(gè)極端——黑洞。黑洞是宇宙中極其特殊的存在，一切宇宙規(guī)則在那里都不起作用，因此它成為天文學(xué)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。但愛(ài)因斯坦對(duì)黑洞并不上心，更沒(méi)有深入研究它。

還有時(shí)空扭曲，即大質(zhì)量天體扭曲時(shí)空的效果非常明顯，會(huì)形成類(lèi)似透鏡的效應(yīng)。它相當(dāng)于折射光線，把遙遠(yuǎn)光源處射過(guò)來(lái)的光改變方向，重新發(fā)射出去。愛(ài)因斯坦相信這個(gè)結(jié)果，但卻不相信人們能看到它，還在論文中寫(xiě)道“這種現(xiàn)象不可能直接觀察”。然而1979年，天文學(xué)家就觀測(cè)到一個(gè)類(lèi)星體所形成的像，這就是引力透鏡現(xiàn)象。

愛(ài)因斯坦對(duì)自己理論所推導(dǎo)出的宇宙現(xiàn)象幾乎都抱有懷疑，這說(shuō)明廣義相對(duì)論太超前了，它所預(yù)測(cè)到的宇宙奇異現(xiàn)象在當(dāng)時(shí)根本無(wú)法觀測(cè)和證實(shí)，也違背了當(dāng)時(shí)的科學(xué)常識(shí)，連想象力如此豐富的愛(ài)因斯坦都無(wú)法接受。