愛因斯坦提出廣義相對論后，科學界掀起了一場關于宇宙起源和引力本質的探索熱潮。然而，這個旅程中發生了令人驚訝的轉折：愛因斯坦原本的“靜態宇宙”設想被證明是一個錯誤。這一過程不僅揭示了科學探索的曲折，也讓我們看到了宇宙的動態膨脹本質。

在廣義相對論問世之初，物理學界剛剛開始探索原子層面的現象，許多人期待能將這一理論應用到原子物理學。然而，愛因斯坦冷靜地分析后發現，廣義相對論對原子物理學幾乎沒有貢獻。

當時，科學家只知道電磁力和引力兩種相互作用力。愛因斯坦指出，兩個電子之間的電磁力遠遠強于萬有引力。因此，用萬有引力去解釋微觀領域毫無意義。于是，愛因斯坦轉向宏觀世界，認為廣義相對論更適合研究宇宙中的大尺度結構。

均勻的宇宙：愛因斯坦的靜態宇宙設想

觀察宇宙，愛因斯坦發現各個方向的星系分布均勻，看上去宇宙無邊無際，于是他提出了“宇宙學原理”：宇宙中的物質是均勻分布的，并且各個方向都差不多。愛因斯坦認為，過去的宇宙與現在無異，是一個不隨時間變化的“靜態宇宙”。

為了解出一個滿足廣義相對論的靜態宇宙模型，愛因斯坦嘗試解決他的方程。然而方程復雜到難以求解，特別是涉及初始條件和邊界問題。為了避免邊界問題，愛因斯坦設想宇宙是一個“有限無邊”的空間——類似一個三維的“超球面”，但并不存在真正的邊界，就像二維的甲蟲在籃球表面爬行那樣，永遠不會遇到“邊”。

在數學上，要讓靜態宇宙模型成立，需要平衡引力的吸引和一種“排斥力”，否則宇宙會在引力作用下塌縮。愛因斯坦在方程中加入了一個“宇宙項”，引入了一種排斥力，使得宇宙可以維持靜態的“穩定狀態”。這樣一來，他成功構建了一個有限無邊、靜態的宇宙模型，這讓愛因斯坦感到無比自豪。

轉折點：弗里德曼和勒梅特的膨脹宇宙

就在愛因斯坦完成他的靜態宇宙模型時，俄國數學家弗里德曼發現了一個驚人的結果。他解出了一種“膨脹宇宙”模型——在這種宇宙中，星系間的距離會隨時間擴大或縮小，宇宙不是靜態的，而是處于不斷的動態變化中。

弗里德曼將論文投稿，審稿人正是愛因斯坦本人。愛因斯坦拒絕了該論文，認為弗里德曼犯了錯誤。直到后來，比利時神父勒梅特重新推導了一個類似的膨脹宇宙模型，大家才意識到愛因斯坦的靜態宇宙或許并非唯一的解。

重新認識宇宙：愛因斯坦的“最大錯誤”

當科學家們驗證了膨脹宇宙模型的正確性，愛因斯坦終于意識到自己的靜態宇宙項可能是一個錯誤。他稱這個宇宙項是“他一生中最大的錯誤”。這次科學糾正帶來的影響深遠：后來，天文學家哈勃觀測到星系紅移，證明宇宙確實在膨脹，弗里德曼和勒梅特的膨脹模型成為主流，靜態宇宙模型從此被取代。

科學的進步總是伴隨著修正與意外。愛因斯坦的廣義相對論不僅改變了人類對引力的認識，也讓我們看到了宇宙的宏大動態本質。雖然他認為宇宙項是“最大的錯誤”，但這段探索也讓我們明白，科學發現往往在錯誤中不斷前進。

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作者：《趙崢教授解讀物理世界》今朝文化 科普創作團隊

審核：周曉亮 北京交通大學物理學實驗室高級工程師

來源: 星空計劃

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