1922年，愛(ài)因斯坦堅(jiān)信宇宙是靜態(tài)的。

一個(gè)年輕的蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家看了他的方程，說(shuō)：不對(duì)。宇宙要么在膨脹，要么在收縮，不可能靜止。

愛(ài)因斯坦覺(jué)得這簡(jiǎn)直荒謬——宇宙怎么會(huì)動(dòng)？

他給自己的方程加了一個(gè)“補(bǔ)丁”，試圖讓宇宙“定住”。你可以把這個(gè)“補(bǔ)丁”理解為一種“反引力”——它往外推，剛好和引力拉的方向平衡。

幾年后，哈勃的望遠(yuǎn)鏡告訴他：那個(gè)“荒謬”的膨脹，才是宇宙的真實(shí)面目。

哈勃望遠(yuǎn)鏡

如果沒(méi)有這個(gè)“補(bǔ)丁”，宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)提前十幾年。

愛(ài)因斯坦后來(lái)承認(rèn)，這是他“一生中最大的錯(cuò)誤”。（后來(lái)又收回了這個(gè)說(shuō)法，因?yàn)槟莻€(gè)“補(bǔ)丁”被重新啟用了——這是后話。）

如果當(dāng)初相信自己的方程，他可能就是預(yù)言宇宙膨脹的第一人。

愛(ài)因斯坦的“錯(cuò)誤”與遺憾

1915年，愛(ài)因斯坦完成了廣義相對(duì)論。

他的方程左邊是時(shí)空的幾何，右邊是物質(zhì)的分布。一句話：物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)。

但有一個(gè)問(wèn)題讓愛(ài)因斯坦不安。

他把方程用到整個(gè)宇宙——結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一個(gè)物質(zhì)均勻分布的宇宙，在大尺度上不可能保持靜止。要么膨脹，要么收縮，不能靜止。

那個(gè)時(shí)代的人都堅(jiān)信宇宙是永恒不變的。

于是愛(ài)因斯坦做了一件后來(lái)被他稱為“一生中最大的錯(cuò)誤”的事：加了一個(gè)“修正常數(shù)”Λ（宇宙學(xué)常數(shù)），產(chǎn)生一種排斥力，剛好與引力平衡，讓宇宙靜態(tài)下來(lái)。

這個(gè)“補(bǔ)丁”，堵住了宇宙的自然運(yùn)動(dòng)，也堵住了他預(yù)言宇宙膨脹的機(jī)會(huì)。

弗里德曼：戰(zhàn)火中的數(shù)學(xué)天才

在愛(ài)因斯坦發(fā)表場(chǎng)方程的同一時(shí)期，遠(yuǎn)在圣彼得堡，一個(gè)31歲的蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家叫亞歷山大·弗里德曼。他沒(méi)被愛(ài)因斯坦的名聲嚇倒。

弗里德曼在1922年仔細(xì)研讀了愛(ài)因斯坦的論文。他發(fā)現(xiàn)：就算沒(méi)有宇宙學(xué)常數(shù)，場(chǎng)方程也有解。而且，這些解描述的宇宙，不是靜態(tài)的，是動(dòng)態(tài)的。

弗里德曼的推導(dǎo)基于兩個(gè)假設(shè)：宇宙在大尺度上是均勻的；場(chǎng)方程不需要“補(bǔ)丁”。

他算出了一個(gè)描述宇宙膨脹的方程。不用記名字，你只需要知道：宇宙的膨脹速度，取決于里面有多少物質(zhì)。密度不同，宇宙可能永遠(yuǎn)膨脹，也可能最終坍縮，但不可能靜止。

弗里德曼把論文寄給愛(ài)因斯坦。愛(ài)因斯坦回信說(shuō)：“您的計(jì)算是正確的，但結(jié)論在物理上是不可能的?！?/p>

宇宙不可能在動(dòng)，因?yàn)樗怯篮愕?，而且?dāng)時(shí)的觀測(cè)也沒(méi)發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的天體運(yùn)動(dòng)。

弗里德曼的論文被愛(ài)因斯坦拒絕。他去世后四年，哈勃的觀測(cè)證明了他是對(duì)的?？上麤](méi)等到那一天。

蘇聯(lián)物理學(xué)家亞歷山大·弗里德曼

勒梅特的獨(dú)立發(fā)現(xiàn)與“原始原子”

在比利時(shí)，一個(gè)神父兼天文學(xué)家叫喬治·勒梅特，走向了另一個(gè)方向。

一個(gè)神父發(fā)現(xiàn)了宇宙的起源——這個(gè)反差，本身就是一個(gè)好故事。當(dāng)時(shí)很多人覺(jué)得，一個(gè)神父怎么能研究宇宙起源？他的理論曾被一些人質(zhì)疑：一個(gè)神父，是不是在宣傳創(chuàng)世論？但他堅(jiān)持這是科學(xué)。

1927年，他獨(dú)立得到了與弗里德曼相似的結(jié)論，但走得更遠(yuǎn)。

他發(fā)現(xiàn)：如果宇宙目前正在膨脹，那追溯到過(guò)去，它一定是從一個(gè)極端致密、極端高溫的狀態(tài)開(kāi)始的。他把它叫做“原始原子”——一個(gè)密度無(wú)窮大的宇宙種子。

宇宙不是從“虛空”中誕生的，而是從這樣一個(gè)極小的、溫度極高的狀態(tài)“爆炸”出來(lái)的。

勒梅特的“原始原子”后來(lái)被伽莫夫發(fā)展成了“大爆炸”理論。

他還在論文中給出了一條關(guān)鍵公式：v = H? d（星系退行速度與距離成正比）。這就是后來(lái)的哈勃定律。但他發(fā)論文的時(shí)候，觀測(cè)證據(jù)還不夠，這篇論文沒(méi)引起重視。

哈勃的望遠(yuǎn)鏡，終結(jié)了爭(zhēng)論

1929年，埃德溫·哈勃的觀測(cè)證實(shí)了勒梅特的公式。

哈勃用威爾遜山天文臺(tái)2.5米的胡克望遠(yuǎn)鏡，測(cè)量了46個(gè)河外星系的距離和譜線紅移。他發(fā)現(xiàn)：幾乎所有的星系都在遠(yuǎn)離我們，而且退行速度跟距離成正比。

這是天文學(xué)史上最關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)之一。哈勃的觀測(cè)，把弗里德曼和勒梅特的理論，從數(shù)學(xué)公式變成了物理現(xiàn)實(shí)。

愛(ài)因斯坦得知后，徹底改變了自己的態(tài)度。他公開(kāi)承認(rèn)：引入宇宙學(xué)常數(shù)是他“一生中最大的錯(cuò)誤”。

勒梅特得知后深受鼓舞。他進(jìn)一步發(fā)表文章強(qiáng)調(diào)，他的“原始原子”理論與哈勃的觀測(cè)完全吻合。

兩種宇宙的命運(yùn)

弗里德曼的方程還給出了宇宙命運(yùn)的兩種圖景。

根據(jù)宇宙中物質(zhì)平均密度與臨界密度的關(guān)系：

• 開(kāi)放宇宙：密度太小，永遠(yuǎn)膨脹下去
• 平坦宇宙：密度剛好，無(wú)限膨脹
• 閉合宇宙：密度太大，膨脹→收縮→大坍縮

三種可能性，都指向同一個(gè)起點(diǎn)——大爆炸。

哈勃的觀測(cè)表明，我們所在的可觀測(cè)宇宙，總密度非常接近臨界值。這意味著，我們的宇宙很可能是平直的，會(huì)無(wú)限膨脹下去。

從“荒謬”到“標(biāo)準(zhǔn)”

弗里德曼于1922年發(fā)表動(dòng)態(tài)宇宙模型，但長(zhǎng)期不受重視。1925年，他在一次熱氣球?qū)嶒?yàn)中創(chuàng)造了蘇聯(lián)海拔紀(jì)錄，但不到一個(gè)月后感染傷寒去世，年僅37歲。他沒(méi)能看到哈勃的觀測(cè)證實(shí)自己的理論。

勒梅特比他幸運(yùn)。他活著看到了哈勃的觀測(cè)，還看到了自己的“原始原子”理論被更廣泛地認(rèn)可。

1965年，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，這是大爆炸宇宙模型最直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。它的溫度（約2.7K）與預(yù)言高度吻合。這個(gè)發(fā)現(xiàn)后來(lái)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

動(dòng)態(tài)宇宙，終于從“數(shù)學(xué)猜想”變成了“物理現(xiàn)實(shí)”。

宇宙微波背景輻射

弗里德曼方程的意義

弗里德曼的方程不只說(shuō)宇宙的過(guò)去，更是一個(gè)預(yù)言工具。

1998年，兩個(gè)天文小組通過(guò)觀測(cè)超新星發(fā)現(xiàn)：宇宙的膨脹不但沒(méi)減速，反而在加速！

這個(gè)發(fā)現(xiàn)后來(lái)也獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

這完全超出了傳統(tǒng)弗里德曼方程的預(yù)測(cè)。物理學(xué)家在方程右邊加了一個(gè)額外的能量成分，叫“暗能量”——它是一種神秘的排斥力，讓宇宙越脹越快。就像氣球被吹起來(lái)，里面的氣越脹越快。暗能量約占宇宙總能量的68%，它的本質(zhì)至今仍是物理學(xué)最大的謎題之一。

有意思的是，愛(ài)因斯坦“最大的錯(cuò)誤”——宇宙學(xué)常數(shù)Λ，被現(xiàn)代宇宙學(xué)重新“請(qǐng)了回來(lái)”。在今天的ΛCDM模型中，暗能量占了宇宙總能量的約68%。

弗里德曼和勒梅特的動(dòng)態(tài)宇宙模型，成了解釋從138億年前的大爆炸到今天加速膨脹的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

從弗里德曼的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，到勒梅特的“原始原子”，再到哈勃的望遠(yuǎn)鏡，再到1998年宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)——

理論可以走在實(shí)驗(yàn)前面。當(dāng)一個(gè)理論給出了違背直覺(jué)的預(yù)測(cè)時(shí)，可能是我們的認(rèn)知有局限，不是理論錯(cuò)了。

“錯(cuò)誤”的答案可能成為新知識(shí)的鑰匙。愛(ài)因斯坦放棄的宇宙學(xué)常數(shù)，在現(xiàn)代宇宙學(xué)中發(fā)揮了全新的作用。

宇宙不是靜止的，它是活的。它不僅在過(guò)去動(dòng)、現(xiàn)在動(dòng)，未來(lái)的命運(yùn)也一樣在動(dòng)。

科學(xué)史最大的魅力，就是看著一個(gè)個(gè)“錯(cuò)誤”變成寶藏。

今天，任何一本現(xiàn)代宇宙學(xué)教材打開(kāi)第一頁(yè)，就會(huì)看到弗里德曼的方程。它標(biāo)志著人類對(duì)宇宙的理解，從“靜態(tài)永恒”到“動(dòng)態(tài)演化”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折。

弗里德曼去世后，他的學(xué)生——物理學(xué)家喬治·伽莫夫——繼承了他的衣缽。伽莫夫不僅提出了“大爆炸”這個(gè)名字，還預(yù)言了宇宙微波背景輻射的存在。

一個(gè)偉大的科學(xué)思想，就像一顆種子。即使在戰(zhàn)火與誤解中，也終將在適合的土壤里開(kāi)出花來(lái)。

這就是科學(xué)：錯(cuò)了就改，改了再戰(zhàn)。

互動(dòng)思考

你覺(jué)得弗里德曼的成功更多靠什么？

A. 數(shù)學(xué)直覺(jué)——相信方程，不管“常識(shí)”

B. 觀測(cè)驗(yàn)證——等實(shí)驗(yàn)來(lái)證明

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