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汪诘开讲宇宙学新知 09：爱因斯坦一生最大“乌龙”，40 年后神奇反转

科汪诘约 6 分钟
今天我们要开始进入《宇宙学新知》系列最后一个专题，也是大家很好奇的暗能量。要把暗能量到底是什么给你解释清楚，我必须要从爱因斯坦提出广义相对论的那个时代讲起。
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Einstein Field Equations

01 爱因斯坦场方程

爱因斯坦在 1915 年提出了著名的广义相对论，这个理论如果用数学语言来表达，就是一个数学方程式，我们把它称为爱因斯坦场方程。
如果要用一句话来通俗地讲什么是广义相对论，可以这样说：万有引力的本质是时空的弯曲。举个例子来说，如果小朋友问：地球为什么绕着太阳转呢？
假如是牛顿，会这么回答：

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因为太阳和地球之间存在万有引力，就像一根线牵着地球，太阳把地球甩起来了，所以地球就会绕着太阳运动。
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但如果小朋友遇到了爱因斯坦，他会这么回答：

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那是因为太阳周围的时空是扭曲的，就好比平坦的表面上有个巨大的坑，地球就是沿着这个坑壁不停地转圈圈，速度刚刚好，既不能飞出这个大坑，也不至于掉进坑底。我们在地球上受到的重力也是时空弯曲效应的体现，踢向天空的足球最后总是会掉回地面，就是因为足球在弯曲的时空中运动。只要速度不够快，转一圈又会回来。
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爱因斯坦的场方程看上去还挺简洁的：

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其实这是因为爱因斯坦发明了一套简便的数学符号，把一大堆方程组写成了 3 个字母，所以看起来才显得非常简洁。其实摊开了以后是个非常复杂的方程组，而且计算起来极其困难。方程的一边代表系统的总质能，另一边代表时空的形状。换句话说，广义相对论就是告诉我们质量加能量决定时空的形状，它们之间有严格的数学关系。所以，著名物理学家惠勒总结广义相对论时，说了这样一句名言，他说：物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。

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爱因斯坦认为，宇宙里的物质是均匀分布的，上下左右各个方向都没什么区别。当时的天文观测的确是支持他的想法的。有了这个前提条件，就可以用场方程来整体计算宇宙了。但令爱因斯坦自己也没想到的是，它计算出了一个动态的宇宙。
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The biggest mistake of my life

02 一生中最大的错误

什么叫做动态的宇宙呢？就是说，从整体上来讲，宇宙不可能保持静止，要么就在整体膨胀，要么就在整体缩小，就好比整条河都在流动，小船即便什么都不做，也无法静止在原地。
宇宙怎么可能是动态的呢？爱因斯坦总觉得不对劲。宇宙整体上应该是保持静止的，一定是自己的方程式少掉了什么，于是他一抬手就加入了一个宇宙常数 Λ （拉姆达），这个常数加进去以后就相当于是添加了一种排斥效应。

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假如数值合适，就可以让宇宙保持静止，不再变化。当时，像爱因斯坦这样用场方程来计算宇宙的人还不在少数。俄国人弗里德曼也计算出了和爱因斯坦类似的结果。

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宇宙常数 Λ （拉姆达）

只是弗里德曼比爱因斯坦的胆子大，他欣然接受了动态宇宙这样一个貌似很不合理的结论，但是爱因斯坦不同意他的理论。爱因斯坦认为，宇宙学常数已经解决了这个问题。哪知道，没多久，比利时的神父勒梅特发现，即便带上宇宙常数，算出来的宇宙依然是动态的。
到了 1929 年，哈勃发现了宇宙中遥远的星系都在远离我们，而且距离越远的星系跑得越快，这说明什么呢？这说明宇宙在膨胀。

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宇宙正在膨胀

科学家们总是喜欢用气球来打比方。一个气球，你在表面涂上一些点。当气球被吹大的时候，所有的点都在彼此远离。但是气球表面是没有中心点的，你站在每一个点上都会看到其他的点在远离你，而且是远处的跑得快，近处的跑得慢。哈勃在望远镜里也看到了这样的现象。这个现象用宇宙整体膨胀是最合理的一种解释。

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气球是说明宇宙膨胀的经典比喻

爱因斯坦得知这个消息，他当然是非常后悔，原来宇宙真的在膨胀，宇宙真的是动态的。他觉得自己犯了一个一生中最大的错误，那就是添加了一个其实毫无必要的宇宙常数。

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为什么这是一个错误呢？因为他在添加这个常数的时候是没有任何理由的，仅仅是为了满足他对宇宙的一个固有观念。从这个角度来讲，他的确是犯了一个错误。但是在他去世 40 年之后，天文学界的一个惊人发现却让这个宇宙常数又被后人翻出来赋予了别的含义。不得不承认，大师就是大师，犯错误都能歪打正着。如果爱因斯坦地下有知，不知作何感想。
到底是一个什么样的惊人发现呢？
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Are galaxies moving away from us?

03 星系在远离我们？

这个惊人的发现来自于两队独立的天文学家对遥远星系的距离和退行速度的测量，星系的退行速度可以通过测量星系发出的光的光谱来测量。
这里简单介绍一下它的原理：
当年牛顿用三棱镜把太阳光分解成了彩虹的颜色，后来大家又发现在太阳的光谱里面有很多细细的黑线，这一连串的黑线就像条形码一样，但是没人知道这些线条代表什么含义。

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光谱线

后来大家才搞懂，原来这些细线是和各种化学元素有关系的。我们通过识别这些条形码，就能知道太阳上有什么元素。比如说氦元素就是首先从太阳上发现的。于是这些黑色的线条就被称为“吸收谱线”，简称“光谱线”。

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氢（上）和氦（下）的光谱线

很快，大家就发现，光谱线会出现整体性偏移。特别是那些遥远的天体。这说明天体发光频率整体发生了改变。光谱线向红色那一端偏移就称为红移，往蓝色那一端偏移称为蓝移。哈勃第一个发现，大部分天体普遍出现红移现象。所以也叫宇宙学红移。

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红移现象图示：光谱线向红色那一端偏移

宇宙学红移代表什么含义呢？代表着光的频率整体降低。哈勃当时认为这是由多普勒效应造成的。什么是多普勒效应呢？当一辆汽车按着喇叭向你飞驰而来的时候，音调变高。从你身边飞驰而过的时候，又变成了音调降低。音调的变化幅度与速度直接相关，我们可以根据音调来计算相对运动速度。光也是一种电磁波，也有多普勒效应。哈勃认为红移就代表着天体逃离我们的速度。红移越大，速度越快。

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多普勒效应图示：当一辆汽车按着喇叭向你飞驰而来的时候，音调变高

不过这里我想插入一个冷知识，尽管大多数科普书在讲到星系的红移时，都会用多普勒效应解释，但其实，如果要较真的话，这个解释是错误的。
造成光谱红移的原因并不是只有多普勒效应一种，宇宙整体膨胀也会导致星系红移现象。就好像你把在一根牛皮筋上标几个点，然后把牛皮筋拉长，你会看到点与点之间的距离全部增大了。你把这根牛皮筋想象成宇宙，而这些点的间距就是光波的波长，你就理解了为什么宇宙膨胀，波长会增大。宇宙的膨胀导致了光波被拉长，因此频率降低，颜色变红。

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但不管原理是什么，光谱的红移量就像一个速度表，标志着天体与我们之间，空间尺度拉大的速度。而这又跟让爱因斯坦错误“歪打正着”的惊人发现有什么关系？我们下期再聊。

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