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第9章宇宙常数理论（第1页）

第9章宇宙常数理论

爱因斯坦在提出相对论的时候，曾将宇宙常数（为了解释物质密度不为零的静态宇宙的存在﹐他在引力场方程中引进一个与度规张量成比例的项﹐用符号Λ表示。

该比例常数很小﹐在银河系尺度范围可忽略不计。只在宇宙尺度下﹐Λ才可能有意义﹐所以叫作宇宙常数。即所谓的反引力的固定数值）代入他的方程。

他认为，有一种反引力，能与引力平衡，促使宇宙有限而静态。当哈勃得意洋洋的在天文望远镜展示给爱因斯坦看时，爱因斯坦惭愧极了。

他说：“这是我一生所犯下的最大错误。”宇宙是膨胀着的！哈勃等认为，反引力是不存在的，由于星系间的引力，促使膨胀速度越来越慢。

那么，爱因斯坦就完全错了吗？不。

星系间有一种扭旋的力，促使宇宙不断膨胀，即暗能量。

70亿年前，它们“战胜”了暗物质，成为宇宙的主宰。最新研究表明，按质量成份（只算实质量，不算虚物质）计算，暗物质和暗能量约占宇宙96%。

看来，宇宙将不断加速膨胀，直至解体死亡。（目前也有其它说法，争议不休）。

宇宙常数虽存在，但反引力的值远超过引力。

也难怪这位倔强的物理学家与波尔在量子力学的争论：“上帝是不掷骰子的！”（不要指挥上帝如何决定宇宙的命运）

林德饶有风趣的说：“现在，我终于明白，为什么他（爱因斯坦）这么喜欢这个理论，多年后依然研究宇宙常数，宇宙常数依然是当今物理学最大的疑问之一。”

1宇宙常数简介

20世纪20年代，天文学家认为宇宙的大小是固定的。

即便广义相对论预示事实并非如此的时候，爱因斯坦也没有转变思路，找出正确答案。相反，他在自己的理论中发明了一个术语去抵消几乎无处不在的引力，用以保持宇宙的恒定不变。爱因斯坦后来将这一术语（宇宙常数）称为他一生中“最大的错误”。

美国科学家埃德温-哈勃的研究揭示了爱因斯坦的错误，让天文学家放弃对静态、稳定宇宙的原有认识，重新开始揭示一个奇异而令人困惑的宇宙。

哈勃在自己的研究发现中采用了当时新发现的“宇宙卷尺”――称为“造父变星”（Cepheidvariable）的一类特殊恒星。通过在威尔逊山天文台扫描天空，哈勃确定了天体――模糊星云（被认为是银河系中的气态云）的距离。

在前人的基础上，哈勃的研究不仅表明，这些星云是它们自己的星系，而且还通过测量它们随时间而变化的速度，证实它们快速远离地球。

哈勃的研究还表明，距离银河系越远，这些星云的速度越快。这种解释听上去很有道理，但其他星系为何加速离开地球的原因尚不得而知。

大多数物理学家认为是暗能量在作祟，但他们尚不能准确确定这一原因。

2宇宙常数的诞生

爱因斯坦奋斗了近10年才得到广义相对论，这个理论源於他在1907年的关键想法:重力和加速运动是等同的，爱因斯坦以他有名的想像实验来说明:一台电梯静止於强度为g的均匀重力场中，另一台电梯在没有重力场的空间中以等加速g前进，则这两台电梯内的物理，会完全一样。

爱因斯坦也受到奥地利物理学家马赫的强烈影响，马赫认为应该抛弃时空绝对座标系的概念，在牛顿力学中，惯性指的是没有受力的物体以固定速度运动的倾向，固定速度这个概念需要一个惯性的（没有加速的）参考座标系，但所谓没有加速度究竟是相对於哪个座标呢牛顿假设存在著一个绝对空间。

一个用以定义所有局部惯性座标系的静止参考座标系。

不过，马赫认为惯性座标系是由宇宙中物质的分布所定义的，爱因斯坦的广义相对论相当程度地实现了这个想法，爱因斯坦的理论是头一个有希望能够完善地描绘宇宙的重力论，它不仅可以描述物体如何穿越时空，也可以描述时间和空间本身如何演变。

当爱因斯坦利用他的新理论来描述宇宙的时候，他所追寻的是一个有限的，静态的，满足马赫原理的解（例如，物质的分布如果仅局限於有限的空间范围之内，则似乎不能满足马赫原理。

因为马赫认为我们需要物质以便定义空间），这三项偏见使得爱因斯坦引入了宇宙项来建构一个静态解，这个静态宇宙解是有限的也是没有边界的—它会弯曲回来，像是气球表面，

3宇宙常数的消亡与复活

在1917年，荷兰宇宙学家德西特证明了即使没有物质，只要有宇宙常数，也可以找到一个时空解，这是非常不符马赫原理的结果。

后来人们发现德西特的模型并不是静态的时空，俄罗斯物理学家佛里特曼在1922年建构了膨胀与收缩的宇宙，这个模型并不需要宇宙项，1929年美国物理学家哈伯发现宇宙在膨胀。

在1930年，英国天文物理学家艾丁顿证明爱因斯坦的宇宙其实并不真的是静态的:因为重力与宇宙项的平衡非常不稳定，些许的微扰就会导致急速的膨胀或收缩。

1931年，因哈伯的发现使得我们“不必以宇宙项来抵消重力”，爱因斯坦就正式放弃了宇宙项。

他说，“反正它的理论基础也不令人满意，”在接下来的60年里，宇宙项被排除在宇宙学之外。

爱因斯坦曾说，他这辈子犯下的最大错误是在广义相对论方程式中加入“宇宙常数”，即一种他设想的未知宇宙能量。

但美国天文学家说，根据哈勃太空望远镜的观测结果，爱因斯坦没错，宇宙中确实存在被科学家称为“暗黑能量”的神秘力量，这种能量在推动宇宙加速膨胀。