2016年07月09日 星期六
爱因斯坦的“最大错误”
文·李 泳

    奥巴马承认犯了一个“最大错误”(worst mistake),但那词儿是华莱士提问用的,不是总统先生自己说的。我想起另一个“最大错误”(biggest blunder),传说是爱因斯坦承认的,相对论、宇宙学和老爱的传记都经常引用。

    "biggest blunder"是伽莫夫(George Gamow)在自传《我的世界线》里转述的。GG说他在二战期间是老爱和海军部的联络员,每半月见一次老爱,关系亲近。他们讨论宇宙学时,老爱说引进宇宙学项是他一生所犯的最大错误(the introduction of the cosmological term was the biggest blunder he ever made in his life)。由于伽莫夫是物理学名人,大家信了他的故事,也让"biggest blunder"一词广为流传。可是,当年引介老爱和伽莫夫为海军工作的布鲁诺尔(Stephen Brunauer,著名的物理化学家,BET理论的创立者之一,1941年加入海军,1943年推荐老爱为顾问)在海军杂志上撰文说,经常拜访老爱正是他本人,而不是伽莫夫。那么,伽莫夫传达的老爱语录就十分可疑了(见以色列天体物理学家Mario Livio的一本有趣的小书,Brilliant Blunders, From Darwin to Einstein——Colossal Mistakes by Great Scientists That Changed Our Understanding of Life and the Universe. Simon & Schuster, 2013)。不过,Mario的怀疑并不很充分,即使伽莫夫与老爱的关系不像他说的那么亲密(与老爱有过交往的人总会有意无意地“深化”他们之间的关系),也可以一起讨论宇宙学,老爱当然也可以顺便讲讲他的小故事,发表几点小感叹。

    不管真假,语录公案只是小花絮,大红花儿还是那个“宇宙学项”。老爱1916年建立广义相对论后,重新考察了宇宙学问题(具体内容参见他1917年的论文《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》)。根据当时的天文观测,恒星的运动速度很慢,令老爱相信宇宙总体是静态的。另外,马赫的惯性思想也萦绕在他脑海,他相信孤立的质量不可能为无限远的空间赋予什么结构。于是,老爱构想了一个有限无边(闭合)而静态的宇宙。遗憾的是,这是一幅“残疾的”图景。他革了绝对时空的命,建立了动力学的时空演化方程,却不敢相信方程的动力学宇宙图景。“为了使物质的准静态分布成为可能”,他在方程里加了一项λ(也常用大写的Λ),即宇宙学常数。在他看来,这是相对性原理的“一个轻而易举的”扩充,而且同时也满足能量守恒定律,没什么不可以的。何况他早就发现他的场方程不是最一般的形式,允许添加额外的东西。原理允许的东西,就是自然应该存在的。

    然而,老爱忽略了,Λ的作用相当于随距离增加的排斥力,它与随距离衰减的引力的平衡是不稳定的,它最终会加速膨胀,而不可能产生一个静态均匀的密度。在这个低级的小问题上,老爱犯了一个大错误。

    1929年,哈勃发现星系在相互远离,宇宙在“膨胀”,这意味着Λ的出发点就是错的。于是,静态的宇宙图景破灭了。老爱逐渐接受了膨胀,两年后放弃了Λ。其实他在1923年就对外尔(Weyl)说过,假如没有静态宇宙,就不需要宇宙学项。游戏似乎就这样结束了:老爱认错了,宇宙学常数消失了。

    有趣的是,游戏并没结束,好戏还在后头。正如老爱说的,物理原理允许Λ的存在,所以我们不能凭一个观测事实(如宇宙膨胀)来否决它——何况它对宇宙是否膨胀没有否决权。从老爱后来的言论看,他似乎也不是只因为膨胀才抛弃它的。1947年9月26日他在给勒梅特(Georges Lemaitre,提出了宇宙大爆炸的概念)的信中说,他自Λ引进以后就一直感到不安(had always a bad conscience):因为Λ与物质无关,于是场方程就包含两个没有逻辑关系的项,他不信大自然会出现如此丑陋的东西(I am unable to believe that such an ugly thing should be realized in nature)。这样看来。老爱否决Λ的更内在原因是它破坏了理论的逻辑简约美。根据“美感”来选择理论,是相对论以来的传统,在很多时候能发挥“莫名其妙”的功效,可有时也像一种流行病。

    Λ没死,像幽灵一样复活了,就像伽莫夫说的,“一次次地抬起它那丑陋的头颅”(rears its ugly head again and again and again)。从形式上看,Λ代表真空的能量。然而根据量子论计算的真空能量(零点能)比根据宇宙红移观测估计的真空能量高约120个数量级。这很有趣,假如我们说量子场论“预言”了宇宙学常数,那么它的预言偏离了120个数量级!那么,还要将它等同于真空能量么?于是,调皮的Λ惹出大麻烦了,感染了很多流行的概念和思想,如超对称与超弦、人存原理、宇宙暴胀、宇宙全息、量子引力等。1998年,我们从超新星的观测发现宇宙在加速膨胀,这意味着宇宙充满了某种奇异的均匀的负压能量,而这恰好是Λ的物理效应。于是,Λ开始充当“暗能量”的角色。Λ以新的形式复活了,虽然与老爱原先想的角色没有什么关系,但如果没有老爱当年的“大错”,它的出现也许不会那么自然,游戏也不会那么火爆。

    勒梅特在恭贺老爱七十岁生日时说,科学史上有很多发现。其所基于的理由在今天已经不复令人满意了,宇宙学常数就是一个例子。这话对了一半;另一半则是,过去错误的种子,会在新的环境下发出新芽。与老爱合作写《物理学的进化》的英费尔德(Leopold Infeld)到普林斯顿后有一点感想:老爱的错误比其正确结果更重要(Einstein's mistakes were more important than their correct results),宇宙学常数也是这样的错误。从这个意义说,它也许真是老爱的“最大错误”。

京ICP备06005116