6.宇宙常数： 爱因斯坦的滑铁卢

爱因斯坦在广义相对论中添加宇宙常数去抵消几乎无处不在的弯曲时空，用以保持宇宙的恒定不变。后来，他将这一概念称为一生中“最大的错误”。

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静态的宇宙解

根据爱因斯坦的广义相对论，宇宙中充满物质，而物质能弯曲时空，这预示着物质弯曲时空的方式最终会使所有物体落到一处。然而20世纪20年代的科学界，天文学家相信宇宙是静态的，爱因斯坦同样抱持这一观点。但是，爱因斯坦广义相对论的场方程没有描述一个静态，也就是时间中不变的宇宙解。因此，爱因斯坦不惜改变自己的场方程，对其进行完善，添加上被称为“宇宙常数”的一项。

宇宙常数

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爱因斯坦的宇宙常数用符号Λ表示，该比例常数很小，在银河系尺度范围可忽略不计。只有在宇宙尺度下，符号Λ才可能有意义。爱因斯坦认为宇宙常数在相反的意义上弯曲时空，使得物体相互离开。宇宙常数的排斥效应可以平衡物质的吸引效应，这样就允许宇宙具有静态解。

事实上，根据广义相对论场方程解出的宇宙是膨胀的，但爱因斯坦认为宇宙应该是平直的。显然，在方程和思维认知面前，爱因斯坦选择了后者。这也是爱因斯坦为什么将宇宙常数称为他一生中“最大的错误”的原因。

威尔逊山上的观测

美国天文学家爱德文·哈勃在威尔逊山天文台对宇宙图景的观测，证实了广义相对论，同时也排除了为获得静态宇宙解对宇宙常数的需要。哈勃用100英寸望远镜观测到，星系和我们距离越远，就越快速地离我们而去。这一观测证明了宇宙正在膨胀，任何两个星系之间的距离会随时间恒定地增加，因此也就不存在一个静态的宇宙。

哈勃空间望远镜

哈勃空间望远镜于1990 年发射升空，位于地球大气层之上，是天文学史上最重要的仪器。它成功弥补了地面观测的不足，帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题，使得人类对天文物理有了更多的认识。

宇宙正在膨胀

爱德文·哈勃的观测将一个膨胀宇宙图景呈现在了大众面前，从事实角度解释了爱因斯坦的广义相对论。为了便于理解，我们可以想象宇宙是一个正在膨胀的气球，而星系是气球表面上的点，人类就住在这些点上。如果宇宙不断膨胀，也就是说，气球的表面不断地向外膨胀，则表面上的每个点彼此就会离得越来越远；其中某一点上的某个人将会看到其他所有的点都在退行，而且距离越远的点退行速度越快。

宇宙大爆炸

哈勃空间望远镜观测到星系正在分开，宇宙处于膨胀状态，这表明它们过去曾经更加靠近。科学家推论，大约在150亿年前，宇宙中所有的物质都相互集中在一起。那时的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。而这种膨胀使得温度降低，原子核、原子乃至恒星、星系得以相继出现。

宇宙微波背景辐射

爱因斯坦并不完全认同大爆炸宇宙论。他认为，如果人们随着星系的运动在时间上回溯过去，则膨胀宇宙的简单模型将会失效，因为星系很小的斜向速度将会使它们相互错开。爱因斯坦说：“宇宙也许早先有过一个收缩相，在一个相当适度的密度下反弹成现在的膨胀。”

然而，随着彭齐亚斯和威尔逊偶然发现宇宙微波背景辐射，大爆炸宇宙论得到了更准确的事实验证，原因是宇宙微波背景辐射的温度和大爆炸宇宙论预言的温度非常接近。这说明，广义相对论预言宇宙从大爆炸起始，而爱因斯坦理论可能隐含着时间有一个开端。

从大爆炸到膨胀