爱氏“信仰的图腾”随哈勃定理而改变

《欧洲物理学杂志H》刊载了一篇文章，第一次对爱因斯坦早期发表的一篇英文版的论文进行了详实分析，很少的学者了解阿尔伯特·爱因斯坦早期发表的这篇论文，在1931年发表的论文取名为“以相对论的观点分析宇宙问题”，论文中的观点似乎已被人们遗忘、经过修订的宇宙模型有一个显著的特征，爱因斯坦放弃了在1917年发表相对论时建构的静态宇宙模型，1931年的论文标志了爱氏理论的自我更新，引入了与时代同步的动态宇宙模型，创新的模型有一个显著的特征，宇宙在诞生之前经历过一次大收缩，而目前的宇宙经历了相反的大膨胀。天文学家哈勃最早观测到了星系的大逃离或宇宙的大膨胀现象。

爱因斯坦在1931年建构了修订的宇宙模型，物理学家德西特则在1932年建立了爱因斯坦——德西特宇宙模型，宇宙的两种模型对比鲜明。爱因斯坦和德西特建构了被人们广泛接受的宇宙学模型，奠定了人们对宇宙结构的基本认识，我们的宇宙正在发生单向扩张的大膨胀。爱尔兰沃特福德理工学院的两名研究人员科马克和布兰登在《欧洲物理学杂志H》发表了研究论文，分析了爱因斯坦宇宙观的变化。爱因斯坦在1931年发表了一篇宇宙学论文，当时的物理学家找到了宇宙大膨胀的证据，天文学家哈勃的观测成果最有说服力，爱因斯坦非常重视哈勃的观测证据，流露出敏锐和渴求的眼光，试图以广义相对论的宇宙模型解释哈勃的观测结论。

爱因斯坦曾修改一生的“最大错误”，设想了将所谓的“宇宙常数项”移除场方程，也就是将广义相对论“旗下”的场方程中的宇宙常数项设为零，而宇宙学常数项只有为零，场方程才能很好地与哈勃的观测数据保持一致。爱因斯坦过去相信一个静态而均衡的宇宙，1917年，爱氏在描述宇宙模型的场方程中有意地添加了一个宇宙常数，随意添加了宇宙常数，相当于抵消了宇宙大膨胀。1931年，爱因斯坦在创新的宇宙模型中去掉了宇宙学常数，更新的宇宙模型和场方程和实际观测的宇宙保持了一致性，人们所在的宇宙先是膨胀，后是收缩，宇宙膨胀和收缩的起点和终点就是物理学家称之为的宇宙“奇点”。

科马克和布兰登在论文中讨论了爱因斯坦前后不同的宇宙学观点，包括膨胀过程中的空间弯曲和时间跨度，他们发现爱因斯坦的计算有一些异常的现象，爱氏在计算宇宙半径和物质密度的分析时出现了差错，对宇宙年龄的计算是以天体物理学家弗里德曼的数学分析为基础的，但弗里德曼的数学分析有些可疑的地方，对一个相对论概念的随时间变化的宇宙半径和宇宙球面曲率计算得不够准确。爱因斯坦最终接受了宇宙膨胀论的现代宇宙观，从静态宇宙观转向动态宇宙观，爱氏的认识转变比同时代的物理学家晚了很长的时间，直到1931年，爱氏才接受了宇宙膨胀的观测结果。

早在1931年之前，天文学家埃德温·哈勃长期观测了星系光线的红移现象，星系从遥远的星云中发出了光线，天文学家哈勃逐渐发现，漂浮的星云实际上是遥远的河外星系。爱因斯坦观念的更新不是人们想象的那么简单，而是经历了一段曲折而复杂的思考过程。《欧洲物理学杂志H》发表了第二篇文章，从一个侧面分析了爱氏科学观念的转变，苏黎世联邦理工学院下属天文学院的哈里·努斯鲍默在文章中揭示了爱氏宇宙观转变的原因，1917年，爱因斯坦将广义相对论的基本原理应用到宇宙学的领域，建构了一个同质而均匀的静态宇宙结构，引力或天体质量引起了时空弯曲。

静态宇宙观有一个致命的难题，仅考虑天体的引力作用，静态结构的宇宙在天体引力的作用下将出现向内的弯曲，最终走向大崩塌的结局。为了避免宇宙的大收缩或大崩塌的结局，爱氏随机地引入了一项宇宙常数。在1917年至1931年期间，爱氏曾极力反对宇宙大膨胀的观点，而同时代的大多数科学家支持动态宇宙学的理论，例如：1922年，俄国物理学家亚历山大·弗里德曼明确指出，爱因斯坦的场方程适用于动态宇宙学。1927年，比利时鲁汶大学的天文学家乔治斯·勒梅特将天文观测和广义相对论结合在一起，得出了宇宙正在膨胀的结论，但爱氏在当时拒绝放弃静态宇宙结构的理论。

直到1931年，爱氏在普鲁士科学院发表了一篇报告，终于接受了宇宙大膨胀的物理模型。1932年，爱因斯坦与荷兰理论物理学家和天文学家威廉·德西特共同合作，建立了一个永恒膨胀的宇宙模型，科学界广泛知晓的模型被称为“爱因斯坦——德西特宇宙模型”，直到1990年代的中期，这一模型才得到科学界的普遍认可。无论爱因斯坦在1931年提出和在1932年完善的宇宙结构模型，人为添加的一个宇宙常数项都不是广义相对论场方程中必有的选项。十分有趣的一个事实是现代宇宙学的暗能量理论似乎复活了宇宙学常数，爱氏引入又抛弃的常数项奇迹般地指向了宇宙暗能量的存在。

（编译：2021-2-28）