夜晚的天空是黑的。但是為什麽會是黑的呢？天上布滿了數十億顆恒星，事實上，既然恒星有那麽多，那天上的每一個點都應該有一顆恒星在閃耀才對。我們被核融合的信標包圍著，它們發出的光在真空的太空中傳播了數百萬年，並且從不間斷。如果每個方向上都有星星，那麽夜空應該是白茫茫一片。但相反，我們看到的是黑暗裏的星星點點。
幾千年來，哲學家和物理學家都對這個問題感到困惑。古希臘人對此很好奇，17 世紀初的德國天文學家約翰內斯·克卜勒和一個世紀後的英國天文學家艾德蒙·哈雷（Edmond Halley）也是如此。1901 年，英國物理學家克耳文勛爵（Lord Kelvin）發表了一篇簡短的論文，試圖解決這個問題，但沒成功。為了解決這個問題，人們需要一個新的宇宙模型。夜空的黑暗與愛因史坦的廣義相對論的一個非常特別的結論緊密相關，也與他那個被人們稱為「最大的錯誤」的結論有關。
廣義相對論是一個美妙的理論，是愛因史坦在 1915 年發表的場方程式組的結晶。它讓人們重新認識了宇宙，揭示了諸如水星不規則軌域之類的秘密；它還要求人們用新的方法來理解時間、空間和品質。但它似乎也有問題。
這個問題就是，宇宙中的物質，即所有恒星、行星、隕石和彗星的總品質，影響著整個宇宙的大小。在研究自己的方程式組時，愛因史坦發現，當將之套用到整個宇宙時，會得到宇宙無法保持固定大小的結論。如果宇宙是靜態的，那麽重力最終會把所有物質吸引到一起。然而，這種情況顯然沒有發生，物質沒有聚攏到一起，所以宇宙不可能是靜態的。
如果廣義相對論的最基本原理是正確的，那麽宇宙一定在膨脹或縮小。宇宙中的物質要麽會讓空間結構分崩離析，也就是終有一天，素有「由大自然之手建造的大廈」之稱的恒星，將彼此遠去，這將使幾乎全宇宙被黑暗籠罩；要麽宇宙向內塌縮，一切都聚到一起，最終收縮並擠壓成一個點和虛無。
愛因史坦覺得，這兩種可能性都不吸引人。更重要的是，它們與事實不符。在 20 世紀早期，天文學家還沒有意識到宇宙比銀河系大多少。在我們所處的星系裏，一切似乎都很穩定，地球繞著太陽轉，當然，其他地方的行星運動也類似。但是，就宇宙萬物的總體情況而言，當時的人都認為，它們都停留在本該在的位置上，既沒前進，也沒後退。當時，包括愛因史坦在內的物理學家一致認為，宇宙是靜態的，它無始無終。
相比於相信自己的理論，不管它的結論多麽奇怪，愛因史坦選擇屈服於傳統經驗，承認自己並不完全正確。他已年近 40，正處於人生的中點，既不年輕，無法再重新構想宇宙，也不年老，不相信自己比別人更有經驗。
他是一位聲譽卓著的教授，在科學界備受尊敬，在德國也很有名。他生活舒適，地位穩固，而且——盡管他自己可能不願承認——他是一個中產階級知識分子。與廣義相對論的角力使他認可了數學的力量，也加強了對直覺和思維創新的依賴，但他仍然重視可觀察到的事實。
就實際情況而言，他似乎也別無選擇。愛因史坦需要最佳化自己的方程式組，否則廣義相對論就會變成與現實脫節的胡說八道。這讓愛因史坦真的開始相信宇宙是均勻且各向同性的，也就是說，宇宙在所有方向上看起來都一樣，地球在宇宙中並不特殊。他還相信宇宙是永恒不變的，即使這與廣義相對論的結論相反。
1917 年，愛因史坦對場方程式組做了所謂的「輕微修改」。他添加了「宇宙常數」，即用希臘字母 Λ 表示的「宇宙項」。他在自己的方程式組裏引入了一處修正，從而使宇宙在數學上是靜態的。這聽起來像是在作弊，雖然這在一定程度上是事實，但也沒那麽糟。並不是隨隨便便加一個已經存在的數就能得到他想要的結果。首先，新增的這一項沒有影響方程式組的正確性。更重要的是，這個數早已存在於原來的框架裏——為了隨時可以用上該數，他之前假設它的值為零，因此可以忽略不計。
而現在情況似乎發生了變化。宇宙常數的作用是提供一個向外的推力來抵消物質間的重力，使宇宙變得穩定。這個推力就是反重力。盡管愛因史坦認為 Λ 是必需的，但仍然對它不滿意。
他在那篇引入宇宙常數的論文裏寫道：「為了得到這個與事實相一致的結論，我們不得不擴充套件重力場方程式組，這個擴充套件是我們在對重力的實際認知中無法證明的。」他看起來似乎有些沮喪。這個新術語毀掉了方程式組原有的優美，「嚴重損害了相對論的形式之美」。是的，理論被補了一塊，但更讓愛因史坦擔心的是，它是否真的需要這塊修補程式。這樣做似乎有點兒粗劣。
不僅是愛因史坦，連造物主都會有這樣的感覺。愛因史坦認為，宇宙不容許粗制濫造和復雜，它應該是簡單的。創造宇宙的終極法則不應該是混亂的。正如他在 1933 年的一次演講中說道：「大自然是最簡單的數學概念的實作。」即便如此，盡管他從來沒有真正喜歡過宇宙常數，但很快便離不開它了，因為它確保了宇宙是靜態的。
在接下來的 10 年裏，愛因史坦成為繼牛頓之後最著名的科學家，他獲得了諾貝爾獎，而這個常數也開始受到質疑。研究愛因史坦方程式組的物理學家想要說服他，宇宙膨脹不只是一種可能性。這是從他的理論推匯出的一個合理的結果，甚至實際情況可能就是如此。盡管證據表明那些物理學家可能是對的，但愛因史坦還是不認可他們。
1912 年，在愛因史坦完成方程式組之前，天文學家維斯托·斯裏弗（VestoSlipher）觀測到了宇宙中遙遠的星體，發現它們似乎正在後退。由於裝置的原因，他無法肯定這項結果和宇宙膨脹有關系，但到了 20 世紀 20 年代，其他觀測證實了斯裏弗的猜想。位於帕薩迪納市聖蓋布瑞山脈的威爾森山天文台擁有當時世界上最大的望遠鏡，該天文台對已知宇宙的邊緣取得了令人興奮的發現。他們的數據雖然不完整，但那裏的天文學家也看到了遙遠的星團似乎正在離我們而去。
而在那時，愛因史坦已是世界上最傑出的科學家，10 年來他一直支持宇宙常數和靜態宇宙，只有無可爭辯的事實才能使他改變主意。1929 年，美國著名天文學家、威爾森山天文台主任艾德溫·哈伯（Edwin Hubble）發表了一篇論文，給出了宇宙膨脹的確鑿證據。1924 年，哈伯發現了銀河系外有一個星系，人們把它稱為仙女星系。很快，他又發現了 20 多個類似的星系，這徹底改變了人們對宇宙大小和本質的看法。宇宙不只是一個恒星集合，而是如伊曼努爾·康德（Immanuel Kant）所說存在諸多「孤島宇宙」，它們彼此遙遙相隔。
面對這些新的銀河系外恒星，哈伯和他的同事米爾頓·L. 赫馬森（Milton L. Humason）開始測量它們的紅移。光的紅移類似於聲音的都卜勒效應。當波相對於接收它的物體運動時，它的頻率就會發生變化。如果救護車的警報聲或貨運列車的低音汽笛聲向你靠近，那麽它們產生的聲波就會被壓縮，這意味著頻率會變高，因此聽起來音調也會變高。而當這些聲音離你遠去時，聲波則會延展開來，這樣會使頻率降低，所以聽起來音調會變低。光也是如此。當某個光源——比如一顆恒星——向觀測者移動，那麽光波就會被壓縮，從而產生更高頻率的顏色，即向光譜的藍色端移動。
如果恒星逐漸遠離觀測者，那麽光的頻率就會變低，顏色就會趨向紅色。斯裏弗早就發現遙遠恒星發出的光在紅移，比利時物理學家兼牧師喬治·勒梅特（Georges Lemaître）也發現過。而哈伯和赫馬森現在掌握了實實在在的證據——它們是無法忽視的，證明各個方向的恒星都在離我們遠去，從而變得越來越紅。除非地球是萬物的中心，否則這只能說明宇宙在膨脹。
這個訊息傳到了柏林，也傳到了愛因史坦的耳朵裏，他幾乎立刻把宇宙常數剔除出思考範圍。兩年後，當他第二次到美國旅行時，他和艾爾莎一起去了威爾森山。由於他的名氣，這次存取引起了很大轟動，對哈伯而言更是如此。愛因史坦被帶著四處參觀，並被允許撥弄那架著名的望遠鏡上的刻度盤。據報道，當人們告訴艾爾莎，所有這些巨大的儀器可以確定宇宙的範圍和形狀時，她回答道：「嗯，我丈夫用一個舊信封的背面就做到了。」
有人給愛因史坦看了赫馬森和哈伯研究用的底片，他立刻明白了這一切的規律。第二天，在天文台圖書館舉行的新聞釋出會上，愛因史坦正式宣布放棄宇宙常數，並承認宇宙很可能根本不是靜態的。
宇宙在膨脹。假設你在一個還沒充氣的氣球表面均勻地畫上一些點，然後給氣球充氣。隨著氣球膨脹，這些點會散開，你會發現，點和點之間的距離越遠，那麽它們分離的速度就越快。也就是說，如果兩個點一開始就離得很遠，那麽當氣球膨脹時，二者距離的變化就會很大；如果它們很近，距離的變化就會很小。簡言之，這就是膨脹的宇宙，氣球代表宇宙本身，而點就是宇宙中的物質。這意味著就最遙遠的恒星而言，隨著離我們越來越遠，它們會變得越來越暗，直至最後消失於視野。這將需要一個又一個世代——時間遠遠超過太陽系的壽命——但最終，整個太空將成為孤零零的恒星的海洋，這些恒星將獨自被黑暗吞沒。這或許並不是一個令人愉快的想法，但愛因史坦很高興。
作為這一發現的副產品，夜空是黑暗的奧秘終於得以解釋。在確保存在光明和黑暗的問題上，膨脹的宇宙起到了兩個重要的作用。首先，正如我們知道的，宇宙膨脹意味著恒星發出的光會向光譜的紅端移動。這個過程並不是只存在於可見光。恒星離我們越遠，它的電磁波波長就會被拉伸得越多。
透過這個過程，可見光變成紅外線，從我們的視野裏消失。
更重要的事實是，膨脹的宇宙會有一個起點，膨脹便是從這個點開始的。如今，我們知道它就是大約發生在 138 億年前的宇宙大霹靂。這也意味著光的傳播時間是有限的。138 億年確實是一段很長的時間，但由於光不是瞬間從 A 點傳到 B 點，而是以特定的速度傳播的，因此對某些恒星而言，還沒有足夠的時間讓它們的光到達地球。此外，由於宇宙在膨脹，星光需要經過的路程也在不斷變長，所以它們永遠不會傳到地球。夜空是黑暗的，因為宇宙有一個起點。
從 1931 年起，愛因史坦愉快地擺脫了宇宙常數的束縛，除了玩笑，它再也沒有出現。它的歷史使命結束了。方程式組恢復了優美。
然而，很久以後，事實證明這樣也並不完全正確。出於某個出人意料的目的，這個常數被重新提及。事實證明，它越來越難以被剔除。不過，在愛因史坦的余生中，這個巨大的錯誤就這樣結束了。
本期薦書
【時空中的愛因史坦：天才的99個人生閃回】
作者：[英] 山繆爾·格雷頓（Samuel Graydon）
譯者：何生 珺捷
轉載自：圖靈編輯部
