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RSS/FEED订阅爱因斯坦究竟有否犯下「一生最大错误」？
来源: 关键评论网 
Photo Credit: Lucian Milasan / Shutterstock.com / 达志影像
爱因斯坦在1916年正式发表广义相对论之前，宇宙被普遍认为是物理世界的一个背景舞台。广义相对论描述时间、空间、物质、能量的互动，把宇宙由背景变成了主角。
爱因斯坦原本并不相信宇宙能够膨胀或者收缩。纵使他知道他亲手推导发现的方程式显示了一个必然结果：宇宙不是在膨胀就是在收缩，他觉得这是不可能的。数学逻辑本身不可能出错，但爱因斯坦也相信自己的推导没有错。因此，他只好在他的方程式加入一个人为的、不影响方程式正确性的项，就是所谓的宇宙常数（cosmological constant）。
爱因斯坦场方程式 (Einstein field equations)。这是一组十式独立的方程式，描述时空、物质和能量的互动，其数学解能告诉我们宇宙如何演化。红色方格内的项就是宇宙常数。
由於重力只能吸引、不能排斥，宇宙不可能是静止的。想像一个抛向半空的球，它不是正在上升就是在下降，除了由上升变成下降的一瞬间和撞到地面之外，球在重力的影响下必然在运动。在星系的巨大尺度，宇宙只由重力支配，因此亦必然在运动。
引入宇宙常数的爱因斯坦以为这样就能解决他的问题：使宇宙静止。宇宙常数有着与重力相反的性质：使物质互相排斥。爱因斯坦认为充满物质的宇宙在重力的影响下会收缩，因此加入宇宙常数去平衡重力的吸引，希望得到一个静止的宇宙。
可是，哈勃（Edwin Hubble）发现星系正在互相远离，而且越遥远的星系後退的速度就越快。这只能有两个解释：要麽地球是宇宙的中心、要麽宇宙正在膨胀。当爱因斯坦知道哈勃的发现後，他後悔在广义相对论方程式里加入了人为的宇宙常数（流传他说过这是他「一生中最大的错误」的故事应该是假的）。哈勃更邀请爱因斯坦到他位於美国加州的巨型天文望远镜，让爱因斯坦亲眼看到宇宙膨胀的证据。
“Historically the term containing the ‘cosmological constant’ ƛ was introduced into the field equations in order to enable us to account theoretically for the existence of a finite mean density in a static universe. It now appears that in the dynamical case this end can be reached without the introduction of ƛ.” – Albert Einstein
Courtesy of the Caltech Archives
哈勃和爱因斯坦使用威尔逊山天文台（Mount Wilson Observatory）的 100 寸望远镜观察宇宙。这是当时世界最大的望远镜。
在今天，宇宙常数有一个更性感的名字，叫做暗能量（dark energy）〔编按︰两者有分别，详见後记〕。1998 年，三位天文学家Saul Perlmutter、Brian Schmidt和Adam Riess带领的研究发现宇宙不单正在膨胀，而且膨胀正在加速。这是一个非常重大的发现，连诺贝尔物理奖也罕有地在2011年颁给这三位天文学家（因为天文学研究很难有实际应用）。暗能量、或者宇宙常数，因而在上世纪末重新复活。一个正在加速膨胀的宇宙，比一个静止的宇宙需要更巨大的宇宙常数（事实上，即使有宇宙常数，宇宙亦不可能静止）。
宇宙加速膨胀变成了标准的教科书内容。宇宙加速膨胀的证据来自观察遥远星系中的超新星爆发。超新星爆发是一颗恒星死亡的讯号。超新星也有不同的种类，其中一种叫做Ia型的超新星爆发时所释放的能量是（差不多）固定的，所以透过测量Ia型超新星爆发的视亮度就能计算出其距离。原理就如蜡烛火光，放在比较远的距离看起来就会比较暗、放在比较近的距离看起来就会比较明亮。
Saul Perlmutter、Brian Schmidt和Adam Riess带领的研究发现，相对於一个均速或减速膨胀的宇宙，Ia型超新星爆发的视亮度比预期的暗太多了。换句话说，这些Ia型超新星位於比预期更遥远的距离；换句话说，宇宙在加速膨胀。
Image Credit: The Cosmic Perspective/Jeffrey O. Bennett, Megan O. Donahue, Nicholas Schneider, and Mark Voit
不同的宇宙模型（左至右）：减速、均速、加速膨胀。
这是上世纪的发现，他们的研究用了七十多颗Ia型超新星。现在，Ia型超新星的样本数目已达当年的10倍之多。随着数据量增加，天文学家亦逐渐开始使用更合适的统计方法更新Ia型超新星的宇宙膨胀研究。例如J. T. Nielsen、A. Guffanti和S. Sarkar今年的研究与及其他几个独立研究均发现，大量的Ia型超新星爆发的数据与均速膨胀的宇宙都吻合。他们认为当年使用的统计方法过於简单，未必适用於少量数据。
不过，他们的研究同时亦指出，加速膨胀的宇宙同样与Ia型超新星爆发的数据吻合。换句话说，我们最多只能说宇宙可能正在均速或加速膨胀，并不能排除其中一个可能性。在加速膨胀的宇宙模型里，天文学家需要比全宇宙所有物质和能量的总和大约14倍之多的暗能量才能解释观测结果。如果宇宙膨胀并没有加速，那麽暗能量可能并没有我们以为的那麽多、或者根本不需要暗能量。
Nielsen等人的论文显示均速（红色线）和加速（蓝色线）膨胀宇宙模型都可以解释Ia型超新星爆发的观测数据。
Nielsen等人的论文并没有如某些媒体所写的「证明宇宙没有加速膨胀」。我们必须小心分辨媒体的可信性，而且即使是有公信力的媒体，也不可能避免所有错漏。在看科学新闻时，如果对报导有所怀疑，最好的做法就是直接找原论文来看、或请教相关的研究专家。
爱因斯坦究竟有否犯下「一生最大错误」，仍有待大自然提供更加多的科学数据。
Nielsen et al.（2016）论文：Scientific Reports 6, Article number: 35596（2016）
後记：
宇宙学家朋友Godfrey读过此文後，赠与一些补充资料。
宇宙常数和暗能量的概念有点不同。宇宙常数可以是正数、零、或负数，当负数时其影响与重力相反。宇宙常数是一种真空能量（vacuum energy），其密度不会随宇宙体积变大而减小。可是，物质和能量的总和不会增加，因此质能密度会随宇宙体积变大而减小。所以在平直（flat）的膨胀宇宙之中，如果宇宙常数非零，无论数值多少最後也必定能支配宇宙演化。
另外，Ia型超新星并不是宇宙加速膨胀的唯一证据，例如宇宙微波背景（cosmic microwave background）也显示宇宙可能在加速膨胀。诺贝尔奬得主 Adam Riess 更亲自写了一篇文章解释误解，他说宇宙加速膨胀的可能性只是由99.99999%降至99.97%而已，与某些传媒夸张头条相去甚远。
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Adam Riess 在《Scientific American》的文章：Have Astronomers Decided Dark Energy Doesn’t Exist?
