爱因斯坦“一生中最大的错误”

爱因斯坦很快得知哈勃的发现以及德西特、爱丁顿对勒梅特模型的认可。他立即放弃了自己之前的立场,承认宇宙不是静止的。爱因斯坦表示,在场方程中引入维持静止宇宙的宇宙学常数是他一生中最大的错误。

假如爱因斯坦及时注意到斯里弗的观测结果并抛弃宇宙学常数的概念,他本可以独享“预测宇宙在膨胀的伟大科学家”的荣誉。毕竟斯里弗的工作只是说明星系在高速运动,并不说明宇宙本身在膨胀。

1931年,爱因斯坦访问了加州理工学院和威尔逊山天文台。在哈勃与当时的台长沃尔特·亚当斯(Walter Adams,1876~1956)的陪同下,爱因斯坦参观了威尔逊山天文台,特别关注了其中的60英寸与100英寸望远镜。哈勃也因为其自身的工作以及爱因斯坦的认可而声名鹊起。

1931年,爱因斯坦(左)在哈勃(中)、亚当斯(右)的陪同下使用100英寸的胡克望远镜 图/California Institute of Technology

爱因斯坦也开始肯定弗里德曼的贡献。1931年,他说道:“一些调查者尝试用一个半径可以变化的球状空间来应对新的事实,第一个不受到观测影响的尝试者是弗里德曼。”但不幸的是,弗里德曼在一次气象气球飞行中感染了肺炎,已于1925年去世,年仅37岁,无缘见证自己的理论得到认可。

1931年,勒梅特又往前迈了一步,他在《自然》发表了题为《从量子理论的观点看世界的开端》的论文。这篇论文提出一个模型:宇宙起源于一个“本初原子”(primeval atom),这个本初原子只有几十个太阳那么大,但包含了宇宙中所有的物质。然后由于放射性而不稳定,本初原子发生了衰变,然后开始膨胀,直到形成当今的宇宙。这是后来所说的“大爆炸”理论的滥觞。

1932年,德西特与爱因斯坦合作给出了一个宇宙学模型,这是弗里德曼-勒梅特模型的一个简单特例。这个模型没有宇宙学常数,以物质为主导,宇宙空间是平坦的。有意思的是,基于斯里弗、哈勃、赫马森的观测以及弗里德曼、勒梅特的理论,爱因斯坦放弃了宇宙学常数,但勒梅特却一辈子都坚持要保留宇宙学常数。

过大的哈勃常数

哈勃并不满足于1929年时的成果,他继续与赫马森一起测量更远的星系的距离与退行速度。根据后来获得的新数据,哈勃与赫马森于1931年发表了一篇长达38页的论文,将此前的速度-距离图拓展到3000万秒差距(约1亿光年)之外,退行速度最大达到2万千米/秒。在这张哈勃图中,原先的那些数据都处在左下角,整体弥散大大降低,正比例关系更加确定无疑。这次,哈勃与赫马森得到的哈勃常数为558,比此前的500还大一些。

哈勃与赫马森1931年论文中给出的速度-距离图(来源:Hubble, E, & Humason, M. L. Astrophysical Journal, vol. 74, p.77)

1934年5月,哈勃访问了母校牛津大学,牛津大学授予他名誉理学博士学位。校方发言人介绍其功绩时说:“就是这个人发现了众多天体远远离开我们的地球,且确立了它们的运动规律—距离我们越远,运动得越快,似乎它们正在逃离我们。”然而,事实上发现众多天体正在远离我们的人并不是哈勃,而是斯里弗。哈勃是在斯里弗的基础上结合自己测到的星系距离,才发现了它们的运动规律。从中我们可以看到,斯里弗被遗忘得多么严重。事实上,这种错误说法一直持续至今,例如记录20世纪人类探索宇宙奥秘历程的科普著作《环宇孤心》中说道:“接下来哈勃又有了一个更为惊人的发现:那些星云好像正在离我们远去”,显然也把斯里弗的发现归到哈勃头上了。

相对于公众的轰动,科学界内部的态度却并不那么一致。这是因为哈勃所得到的哈勃常数无论是500还是558,都显得过大了。如果宇宙在匀速膨胀,那么哈勃常数的倒数就是宇宙的年龄,500对应的宇宙年龄大约是20亿年。而当时已经有地质学的证据表明地球的年龄大约是40亿年。宇宙年龄小于地球年龄实在过于荒谬,这也让很多人无法相信宇宙在膨胀。比如,弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky,1898~1974,后因提出“超新星”这个概念并首次发现宇宙中的物质大多为暗物质而知名)就在1929年的一篇论文中提出:红移不是因为宇宙膨胀引起,而是由于光子在传播过程中受到引力吸引而“疲劳”(即能量降低),导致频率降低,光波变长。

而那些相信宇宙膨胀的学者,为了解决这个问题,只能对理论进行修改。例如,勒梅特在1934年提出一个模型,根据这个模型,宇宙学常数会导致宇宙先减速膨胀,再停滞一段时间,随后加速膨胀。根据这个模型,宇宙年龄就不是哈勃常数的倒数(20亿年),而会比哈勃常数的倒数大得多。虽然前提并不正确,勒梅特却意外获得了最后的胜利:1998年,两个小组证明宇宙中存在类似于宇宙学常数的、起排斥作用的暗能量,而且宇宙确实是先减速膨胀再加速膨胀,不过不存在停滞的阶段。

爱因斯坦与勒梅特

二战期间,沃尔特·巴德(Walter Baade,1893~1960)使用100英寸胡克望远镜观测了仙女星系与银河系中的造父变星,发现造父变星其实有两类。而由于哈勃将之混在一起,低估了仙女星云中的造父变星的真实亮度,因此使得对仙女星系的距离的计算结果偏小。根据巴德的重新分析,仙女星系的距离至少是60万秒差距,而不是哈勃认为的30万秒差距。由于哈勃对其他星系的测量都使用仙女星系的距离为尺子,因此得到的距离都缩小了同样的比例。使得虽说获得了最重要的正比例关系,但距离被低估,哈勃常数被高估,于是宇宙年龄被低估。通过修正后,宇宙的年龄一下子增加了一倍

1958年,哈勃曾经的学生艾伦·桑德奇(Allan Sandage,1926~2010)根据当时的新观测,进一步修正了距离,将哈勃常数降到了100,对应的宇宙年龄大约是100亿年,这才算基本解决了宇宙年龄的难题。如今,通过对遥远星系中一类超新星的测量,得到的哈勃常数的精确值大约是70,直接将这个值取倒数,得到的宇宙年龄大约是140 亿年,与真实的宇宙年龄(138亿年)非常接近。

余波绮丽为

1948年,弗里德曼当年的学生乔治·伽莫夫(George Gamow,1904~1968)与弟子拉尔夫·阿尔菲(Ralph Alpher,1921~2007)在勒梅特大爆炸思想的基础上,完善了大爆炸模型;阿尔夫和罗伯特·赫尔曼(Robert Herman,1914~1997)的论文还预测了微波背景辐射的温度大约为5K。

1965年,大爆炸模型预测的微波背景辐射被射电望远镜探测到,数值约为3K,与大爆炸理论高度吻合。这使得大爆炸宇宙学一跃成为主流学科。1966年6月20日,勒梅特去世,他去世前一年看到了自己首先提出的大爆炸理论所发展出来的最重要预言被观测所证实。

三代卫星探测的微波背景辐射

如果说膨胀的宇宙是波澜四起的海洋,那这些探究宇宙的先驱就是探寻海洋奥秘的伟大水手。他们一路追溯到宇宙的诞生时期,让人类对浩瀚宇宙的认知从蒙昧黑暗走向智慧光明。

撰文/王善钦(美国加州大学伯克利分校天文系)

(本文发表于《科学世界》2017年9期)

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:《科学世界》杂志

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