永恒的宇宙

广义相对论一经完善，爱因斯坦就决定将其应用到整个宇宙试一下。他的目标是证明宇宙是一个由恒星和其他天体汇集而成的相对稳定的集合体。他意识到，星体确实是在运动，但是它们的运动速度比较缓慢。爱因斯坦的宇宙论能够给人们提供一个牛顿学说的“绝对空间”，这样的永恒性和稳定的框架，而无须像马赫那样，借助于虚构的理念。

起初，爱因斯坦想以空间的各向同性（各方向的统一性）为基本假设，以此来进行对宇宙的计算。他选择使用叫作超球面的简单四维几何来代表空间的形状。超球面是额外维中球面的泛称。如果你住在超球面中，不论你朝哪个方向运动，最终都会回到起点，就像绕地球赤道转圈一样。宇宙是一个超球面的好处就是，我们有了一个有限的但是没有边界的宇宙。只有站在宇宙之外的人才能注意到宇宙的“表面”。在宇宙空间内，没有边界的限制，只有循环往复。阿根廷作家若热·路易斯·博格斯（Jorge Luis Borges）后来在他的科幻短篇小说《巴别塔图书馆》（The Library of Babel）中生动地描述了超球面这个概念，书中他将宇宙比作是个巨大的、有限的、反复的书籍收藏集。

爱因斯坦期望为他的场方程式得到一个稳定的解，但是很快他就意识到前方有只拦路虎。他得到的唯一的解是不稳定的。若再往前一步，稍微改变一下物质的分布，很可能就会导致坍塌或者膨胀，就像气球充气和放气一样。要想得出一个永恒、稳定的宇宙，这样的解肯定不行。埃尔温·哈勃（Erwin Hubble）发现了宇宙膨胀——现在我们称之为“大爆炸”——这件事还要十多年之后才会发生。因此，爱因斯坦当时认为宇宙是静态的也在情理之中，这使得他认为这种膨胀模型不符合物理实际。

为了修正方程的解，他迈出了大胆的一步，直接在方程的几何一侧引入了一个额外的项，以期得出一个他认为可靠的解。这个项就是以希腊字母拉姆达（Λ）表示的“宇宙常数”，该项抵消了由反方向的空间几何膨胀而造成的引力不稳定问题。虽然爱因斯坦没有给这个宇宙常数赋予任何的物理意义，但当时他却将之视为保持他的理论完整的必不可少的因素。

在我们的沙漠罩篷的类比中，想象一下，我们构建的坚实结构渐渐陷进了沙子。我们不会选择从头开始重新搭建，而是可能选择在其周边搭建一些机械设备，以此来拉住或者向外撑住罩篷。虽然这样的额外结构获不了什么建筑大奖，但却好使。同样的道理，虽然宇宙常数也不怎么别致，但它却能完成爱因斯坦的任务——维持宇宙的稳定性。

1917年，爱因斯坦发表了稳态宇宙论，场方程式中就含有宇宙常数这一项。然而，他无法理所当然地宣称自己的解是独一无二的。荷兰数学家威利姆·德西特（Willem de Sitter）巧妙地表明，当物质不存在时，爱因斯坦场方程式得出的解会呈指数级爆发，宇宙常数会驱动一切向外扩张。德西特的宇宙模型表明，只要宇宙常数存在，虚空的宇宙不可能是静态的。爱因斯坦考虑到自己也只是把宇宙常数作为权宜之计，而非基于科学观察，所以就没太把德西特的宇宙模型当回事。但是爱因斯坦也承认，想要理解宇宙的动态变化，需要更大量的天文观测。所幸哈勃将会做出所需的观测，他使用建造在加利福尼亚南部的威尔逊山上的巨型反射式望远镜，最终揭示出宇宙处于膨胀状态，而非静止状态。