16. 宇宙常数的故事

爱因斯坦在1905年建立了狭义相对论，1915年建立广义相对论的引力场方程，在1917年的一篇文章中引入了宇宙常数一项。场方程看起来并不是很复杂，解起来却异常困难。我们暂时忽略宇宙常数的一项，考察一下引力场方程包含的物理意义。如今我们很难体会和揣摸爱因斯坦当时的真实思想，但可以从我们现在所具有的物理知识出发，首先重新认识一下场方程到底意味着些什么。为方便起见，将方程在此重写一遍：

为了更深刻地理解广义相对论，不妨先回忆一下狭义相对论。相对于经典牛顿力学而言，狭义相对论否认了速度（即运动）的绝对意义。那就是说，当我们在狭义相对论中谈及速度v时，一定要说明是相对于哪个参考系而言的速度，否则就是毫无意义的。到了广义相对论中则更进了一步，因为广义相对论取消了惯性系的概念，速度不仅没有了绝对的意义，连速度对惯性系的相对意义也没有了。比如说，在广义相对论预言的弯曲时空中，我们只能在同一个时空点来比较两个速度（或任何矢量），而无法比较不同时间、不同地点的两个速度的大小和方向，除非我们将它们按照前面介绍过的黎曼流形上平行移动的方法移动到同一个时空点。这也就是为什么我们花了很长的时间来解释黎曼几何和张量微积分等等数学概念。因为在（伪）黎曼流形上，每个不同的时空点定义了不同的坐标系，使用它们，才能正确描述广义相对论中弯曲时空的精髓。或许可以用一句简单的话来表述得更清楚一些：狭义相对论将独立的时间和空间统一成了“4维时空”，广义相对论则将平直的时空变成了带着活动标架的“流形”。

当然，在流形上的一个很小局部范围内，我们仍然可以忽略时空的弯曲效应，近似地使用狭义相对论的概念，但那只是在两个粒子相距非常小的时候才能成立。

最后与爱因斯坦在一起工作过的著名物理学家约翰·惠勒有一句解释广义相对论的名言：“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物体如何运动。”

“物质告诉时空如何弯曲”，这点从方程（2-16-1）是显而易见的。因为方程的右边是给定世界的“物质”分布，它决定了方程的解，即度规张量，也就是表征时空如何弯曲的几何度量。

后一段话则说的是：弯曲的时空中粒子将如何运动。

考虑在度规为g_ij的时空中有一个作“自由落体”运动的“试验粒子”。先澄清一下这一句话中提到的两个概念：所谓试验粒子，就是说它是一个理想的点粒子，这个粒子的能量和动量很小，以至于它的存在丝毫不影响原来时空的度规张量。所谓自由落体，就是说粒子的运动除了受到引力引起的时空弯曲之外，没有任何其它的作用力。这样的试验粒子应该沿着测地线运动。这时，粒子的速度矢量相应地沿着测地线平行移动。对应于平坦空间，测地线是弯曲空间中最接近直线概念的几何量。

用2维球面来理解弯曲时空。两个人从赤道上的不同点出发，都一直向北走。如果他们原来习惯了平坦空间的几何，他们会以为他们的运动方向是互相平行的，因而相互距离应该保持不变。然而，在球面上实验后却会发现他们之间的距离越来越近。对这个事实，他们可以用两种方式来解释：一是认为有一种力将他们推得互相靠近，另一种则是想象成是由于空间弯曲的几何原因。这两种解释是等效的，正如广义相对论中将引力等效于时空弯曲一样。

爱因斯坦建立了引力场方程后，物理学家和天文学家蜂拥而上，使用各种数学方法研究方程的解，将其与牛顿经典理论比较，用以解释各种天文观测现象。在那个时代，宇宙学还只能算是一个初生的婴儿，物理和天文学界基本上公认宇宙的静态模型。所谓“静态模型”，并非认为宇宙中万物静止不动，而只是就宇宙空间的大范围而言，认为宇宙是处处均匀各向同性的，每一点处朝各个方向看去都会有无穷多颗恒星，恒星之间的平均距离不会随着时间的流逝而扩大或缩小。但是，根据广义相对论的运算结果，宇宙并不符合上述的静态模型，而是动态的，有可能会扩张或收缩。爱因斯坦为了使宇宙保持静态，在引力场方程式中加上了公式（2-16-1）中的第三项^【1，2】。

当初，爱因斯坦及大多数物理学家都认为，万有引力是一种吸引力，如果没有某种排斥的“反引力”与其相平衡的话，整个宇宙最终将会因互相吸引而导致塌缩。因此，宇宙的命运堪忧。当爱因斯坦在他的方程（2-16-1）中引入第二项，使其满足守恒条件的时候就发现，他的方程中可以加上与度规张量成正比的一项而仍然能满足所要求的所有条件。那么，是否可以利用这一项来使得他的方程预言的宇宙图景成为静态、均匀、各向同性的呢？爱因斯坦假设这个比例常数Λ很小﹐在银河系尺度范围都可忽略不计。只在宇宙尺度下﹐Λ才有意义。

不过，爱因斯坦的想法很快就被天文学的观测事实推翻了。

首先，物理学家证明了，即使爱因斯坦的宇宙常数提供了一个能暂时处于静态的宇宙模型，这个静态模型也是不稳定的。只要某一个参数有稍许变化，就会使变化增大而往一个方向继续下去，最后使得宇宙很快地膨胀或塌缩。后来，在1922年，前苏联宇宙学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann，1888-1925），根据广义相对论从理论上推导出描述均匀且各向同性空间的弗里德曼方程^【3，4】，在这组方程中，不需要什么宇宙常数，得到的解却不会因为互相吸引而塌缩，而是给出了一个不断膨胀的宇宙模型。没过几年，哈勃的天文观测数据证实了这个膨胀的宇宙模型^【5】。

在弗里德曼“宇宙空间是均一且各向同性”的假设下，宇宙的空间度规ds部分，可以写成一个空间曲率为常数的特殊三维空间度规ds₃，与一个时间标度因子a(t)的乘积：

                                                          （2-16-2）

原来的爱因斯坦引力场张量方程的未知函数是度规张量g_ij，需要通过（2-16-1）的16个方程求解出来。方程右边的能量-动量-压力张量表达式也很复杂，一般求解根本不可能，甚至连有意义的讨论都很困难。只能够在不同的情况下将方程简化后，再来估计和定性地讨论解的性质。

弗里德曼假设的表达式（2-16-2）就是在大尺度的宇宙空间范围内简化了的度规张量。这儿的未知函数只剩下2个：空间度规ds₃和时间标度因子a(t)。并且，满足均匀各向同性条件的空间度规ds₃，只有3种情形，可以分别用一个参数k来描述。k只能取3个值：1、0、-1，分别代表球面、平面、及双曲面几何。

基于弗里德曼条件假设的对称性，能量动量张量T_ij也只需要考虑对角线上的4个元素：r和3维压力矢量p。如此一来，引力场方程（2-16-1）在不考虑宇宙常数（Λ=0）的情形下，简化为如下2个弗里德曼方程：

弗里德曼方程是关于宇宙空间的时间因子a(t)的变化速率及变化加速度的微分方程，a(t)是一个无量纲的函数，用以描述宇宙在大尺度范围内的膨胀或收缩。

一开始时，爱因斯坦不怎么瞧得上弗里德曼的工作，认为只不过由此可以满足一下数学上的好奇心而已。但后来，弗里德曼根据这个方程，第一个从数学上预言了宇宙的膨胀。再后来，一位比利时的天主教神父，也是宇宙学家的乔治·勒梅特（Georges Lemaître，1894-1966），独立得到与弗里德曼同样的膨胀宇宙的结论。1929年，哈勃宣布的观测结果证实了这两位科学家对“宇宙膨胀”的理论预言，并由此而否定了引力场方程中宇宙常数一项的必要性。哈勃的观测事实，令爱因斯坦懊恼遗憾不已。

爱德温·哈勃（Edwin Hubble，1889-1953）是美国著名的天文学家，是公认的星系天文学创始人和观测宇宙学的开拓者。他的观测资料证实了银河系外其他星系的存在，并发现了大多数星系都存在红移的现象。重要的是，哈勃发现来自遥远星系光线的红移与它们的距离成正比，这就是著名的哈勃定律：

v = H₀D                                                                              （2-16-5）

式中的v是星系的运动速度，D是星系离我们的距离。从多普勒效应（图2-16-1a）知道，如果光源以速度v运动的话，观察者接受到的光波波长与光源实际发出的光波波长有一个等于v/c的偏移。哈勃观测到来自这些星系的光谱产生红移，说明这些星系正在远离我们而去，见图2-16-1b。比如说，光源远离的速度是3000公里/秒，即光速的百分之一，观测到的波长也将向低频方向（红色）移动百分之一。

图2-16-1：多普勒效应和哈勃定律

哈勃定律说明，离我们越远的星系，远离而去的速度就越快。仔细一想，这描述出的正是一幅宇宙不断扩展膨胀的图景。其中的比例因子H当时被认为是一个常数，后来被认为随时间而变化，叫做哈勃参数。但实际上它是随时间的天文数字而变化，一般情况下不用在意，只对研究宇宙的历史等宇宙学问题有关。总之，当时的天文学家将H₀称之为哈勃常数。根据2013年3月21日普朗克卫星观测获得的数据，哈伯常数大约为67.80±0.77 千米每秒每Mpc。

哈伯参数与弗里德曼方程中的时间因子a(t)有关，即

所以，根据弗里德曼的预测和哈勃的实验证实，宇宙并不是稳态的，是在膨胀的。而弗里德曼的结论本来就是从没有包含宇宙常数的爱因斯坦方程式推导而来的。爱因斯坦在方程中加进的宇宙常数Λ一项成了一个多余的累赘。

爱因斯坦对此耿耿于怀，撤回了他的“宇宙常数”。据说他在与物理学家伽莫夫的一次谈话中对此表示遗憾，认为这是自己“一生所犯下的最大错误。”^【6】

宇宙的确在不断地膨胀，但这膨胀的速度是否变化呢？是加速膨胀还是减速膨胀？这个问题关系到宇宙的历史和未来。用弗里德曼方程中的时间因子a(t)来表示的话，宇宙膨胀说明a(t)对时间的一阶导数不为零。加速膨胀还是减速膨胀的问题则与a(t)对时间的二阶导数有关。对此，不同的学者有不同的看法和解释，这又导致了不同的宇宙演化模型。

1998年，两个天文学家研究小组对遥远星系中爆炸的超新星进行观测，发现它们的亮度比预期的要暗，即它们远离地球的速度比预期的快。也就是说，从几十亿年前的某个时刻开始，宇宙的膨胀速度加快了，我们生活在一个加速膨胀的宇宙中。

新的观测结果使得人们又将那个被爱因斯坦引入又摒弃了的宇宙常数“Λ先生”请了回来。

不过，这次“Λ先生”的起死回生，与爱因斯坦当初的对错无关，也完全不是爱因斯坦先知先觉预言到的结果。因为实际上，物理学家们认为宇宙的加速膨胀是与宇宙中“暗能量”存在的事实有关的。暗能量在引力场中起的作用，正好与爱因斯坦原来引进的Λ一项类似，因而才又把Λ一项加进了方程。暗能量的来源，则是量子场论所预测的真空涨落。而量子论，正是爱因斯坦一生中始终怀疑也从未接受的理论。

参考资料：

【1】Einstein,Albert (1917). Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie(Cosmological Considerations in the General Theory of Relativity) KoniglichPreußische Akademie der Wissenschaften, Sitzungsberichte (Berlin): 142–152.

【2】Einstein,Albert (1997). The collected papers of Albert Einstein (Alfred Engel,translator) Princeton University Press, Princeton, New Jersey.

【3】Friedman,A (1922). "über die Krümmung des Raumes". Z. Phys. (in German) 10(1): 377–386.

【4】Friedman,A (1999). "On the Curvature of Space". General Relativity andGravitation 31 (12): 1991–2000.

【5】Hubble,Edwin, "A Relation between Distance and Radial Velocity amongExtra-Galactic Nebulae" (1929) Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America, Volume 15, Issue 3, pp. 168-173

【6】G.Gamow, My World Line — An Informal Autobiography, Viking Press, New York (1970)

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