文／盧健龍（新加坡國立大學(xué)物理學(xué)博士）

圖／視覺中國 歐洲南方天文臺

不敢如此想象，曾限制了

愛因斯坦的想象

1905年，愛因斯坦26歲。那一年，他發(fā)表了1篇博士論文，給德國最有聲望的雜志《物理學(xué)紀(jì)事》提交了4篇論文，發(fā)表了至少21篇書評。這些論文包括現(xiàn)代物理學(xué)中3項偉大的成就：分子運動論、狹義相對論和光量子假說。這些成就徹底改變了物理學(xué)的面貌，改變了整個世界。這一年也被稱為世界科學(xué)“奇跡年”。然而，即使是如此天才的愛因斯坦，也免不了有犯錯誤的時候。

“無中生有”的宇宙學(xué)常數(shù)

在太陽系之外，我們可以看到滿天的繁星。它們雖然看起來鋪天蓋地，但并不勻稱：大部分星星似乎集中在相對很窄的一條帶子上，如我們所說就像一條銀河。在銀河外面的星星分布明顯稀疏，有些部位甚至漆黑一片，似乎沒有星星。這么多的星星，天文學(xué)家只能猜測它們的距離、質(zhì)量，事實上對它們的情況一無所知。遇到未知或無法掌握的復(fù)雜問題時，將其簡化、抽象為簡單的模型是理論物理學(xué)家的本領(lǐng)，更是愛因斯坦的“拿手好戲”。

在愛因斯坦的想象中，他假設(shè)宇宙的質(zhì)量是完全理想化、均勻分布的，沒有哪里多一點或者少一點。這個假設(shè)雖然聽起來匪夷所思，但其實也并非太離譜。太陽系看起來結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但它接近99%的質(zhì)量集中在太陽上。與太陽相比，其他所有的行星、衛(wèi)星的質(zhì)量都可以忽略不計。而在太陽系之外，愛因斯坦覺得宇宙可能比我們?nèi)庋劭吹降倪€要大得多。在那個尺度上，也許這些在銀河邊分布密集的恒星會顯得微不足道，遙遠(yuǎn)的恒星質(zhì)量分布還是均勻的。這樣極端化的模型確實有可能會從廣義相對論里求出一個解來。然而，這時候愛因斯坦遇到了一個大難題。

那個時代，許多物理學(xué)家都認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的，愛因斯坦也沒能跳出這個思維桎梏。為了讓廣義相對論的場方程能夠描述一個靜態(tài)的宇宙，愛因斯坦在1917年提出了一個巧妙的主意。他發(fā)現(xiàn)，只要在場方程中加入一個宇宙學(xué)常數(shù)，就可以在宇宙層面上起到“抵消”萬有引力的效果，得到一個靜態(tài)的宇宙模型。后來，天文學(xué)家哈勃通過觀測發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙并不是靜態(tài)的，而是在不斷膨脹的。而愛因斯坦在1915年寫下的原版廣義相對論場方程就可以描述膨脹的宇宙了，宇宙學(xué)常數(shù)并不是必需的。為此，愛因斯坦收回了他加入場方程中的宇宙學(xué)常數(shù)，并將之前對原版場方程的有效性的質(zhì)疑稱為自己犯過的“最大的錯誤”。

有意思的是，這個愛因斯坦自稱的“最大的錯誤”卻未必是完全錯誤的。1998年，天體物理學(xué)家通過對超新星的觀測發(fā)現(xiàn)宇宙不僅僅在膨脹，而且在加速膨脹！這就意味著場方程中確實需要一個不為零的宇宙學(xué)常數(shù)。宇宙究竟有多大？是否有限？是靜止還是演變？甚至，真的只有一個宇宙嗎？在愛因斯坦所處的時代，這些問題不僅沒有答案，而且無從把握。但愛因斯坦為我們審視宇宙指出了一個方向，也許在讀這一段文字的你，會在未來成為這個故事的主角。

黑洞真的存在嗎

廣義相對論中還有一個比宇宙學(xué)常數(shù)更加著名的概念——黑洞。愛因斯坦在這個黑洞上也摔了一個跟頭。1916年，愛因斯坦發(fā)表了著名的廣義相對論，補充了1905年發(fā)表的狹義相對論里無法解釋的引力，廣義相對論創(chuàng)造性地將引力的本質(zhì)解釋為質(zhì)量彎曲時空所造成的幾何現(xiàn)象。一般來說，天體的質(zhì)量越大，其造成的時空彎曲程度就越大。

在廣義相對論發(fā)表一個月以后，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西給出了廣義相對論場方程的一個漂亮的解析解，它被稱為“史瓦西解”——描述的是球狀對稱分布的靜止物體周圍的時空結(jié)構(gòu)。太陽周圍的時空就可以近似地看作史瓦西時空。在史瓦西解中，物理學(xué)家們注意到有一個特殊的長度，如果壓縮史瓦西時空中的物體，使其半徑小于這個長度，那么物體似乎就會不可挽回地坍塌到一個奇點上，在那里，時空的彎曲程度變得無窮大，一切我們已知的物理定律都失效了。這個特殊的長度在時空中畫出了一道分界線，一旦跨過這道分界線，就連光也無法逃脫。這是黑洞中最簡單的一種，被稱為史瓦西黑洞。

雖然愛因斯坦的理論預(yù)言了黑洞，但愛因斯坦并不相信這種奇怪的時空結(jié)構(gòu)真的可以存在。1939年，愛因斯坦在美國頂尖數(shù)學(xué)雜志《數(shù)學(xué)年鑒》上發(fā)表著名論文，在文章中愛因斯坦詳細(xì)地討論了為什么史瓦西時空的奇點是不可能存在的。然而這篇論文中的論證有很大的局限性，它并沒有真的宣判黑洞這個概念的死刑?，F(xiàn)在大部分物理學(xué)家都認(rèn)可了黑洞的存在，雖然黑洞中還有大量的謎團尚未揭開，但光到不了的地方，想象力可以到達。2019年，人類終于拍到了第一張黑洞的照片，如果愛因斯坦能夠看到這一幕，不知道會不會將其列為自己另一個“最大的錯誤”呢？

在上述歷史插曲中我們可以看到，即便是想象力汪洋恣肆的思想者，也難免會觸碰到思維的邊界。就連創(chuàng)造了廣義相對論的愛因斯坦，也會在廣義相對論里犯錯誤。因此，只有保持謙虛和開放的態(tài)度，突破想象力的邊界，才可能到達更遠(yuǎn)的遠(yuǎn)方。