世界上最不可理解的事情，便是這個世界是可以理解的。
——阿爾伯特·愛因斯坦
宇宙從何而來？
我們為什么存在？
宇宙是由什么構成的？
宇宙未來的命運將如何走向？
…………
○ 大爆炸模型的宇宙演化歷史
雖然人類千百年來就一直思考著自身存在及宇宙的起源等等問題，但是，在1917年之前，這些思考一點都不成熟，對宇宙學的研究也一點都不現代。如今，我們已經進入了精確宇宙學時代，大爆炸宇宙論、宇宙微波背景輻射（CMB）、宇宙加速膨脹（暗能量）、暗物質……，我們今天談論的這些內容都基于愛因斯坦的廣義相對論。而現代宇宙學的這一切，都要始于愛因斯坦在103年前寫的一篇題為《在廣義相對論框架中的宇宙學思考》論文。
要進行宇宙學思考，必須要有廣義相對論對吧，我們在這簡單了解一下廣義相對論。
在廣義相對論問世之前，描述引力的理論一直是牛頓爵爺的萬有引力定律，在其發表之后的兩百多年間無人能撼動它的地位，直到火車上一個年輕德國人的冥想打破了夜的寂靜，由此引出了一系列全新的概念。愛因斯坦認為雖然牛頓的引力理論在大多數情況下是成立的，但是卻存在概念上的錯誤，即引力并非如牛頓所說的物質間產生的吸引性質，而是物質與時空相互作用的結果。在廣義相對論中，三維空間和一維時間被統一在3+1維的四維時空當中，時空具有可塑性，由于物體的質量造成了其周圍時空幾何形狀的彎曲，而在其周圍的物體會沿著彎曲時空中的最短路徑（測地線）運動，從而產生了我們稱之為引力的效應。
○ 在廣義相對論中物質的質量使其周圍的時空發生彎曲
著名理論物理學家約翰·惠勒曾用下面一句話總結廣義相對論：“物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。”
廣義相對論真的是一個非常優美的理論，概念簡單優雅，只是其中的數學卻晦澀難懂，但這并不妨礙我們欣賞。它無比精妙，有很高的預言性且久經考驗，在這你可以寫點東西來預測一下宇宙將會處于什么樣的狀態并加以驗證。據我所知，到目前為止，它通過了一系列的觀測和實驗驗證。
下面我們來到廣義相對論的核心，即著名的愛因斯坦引力場方程。
○ 愛因斯坦引力場方程
方程左邊的組合被稱為愛因斯坦張量，描述的是時空的幾何屬性（曲率），方程右邊則包含了圓周率π、引力常數G、光速c這些常數以及能量-動量張量T（μν），描述的是物質和能量的分布，中間的等號便把時空幾何和物質分布聯系在了一起，所以當我們知道物質與能量在時空中是如何分布的，就可以通過此方程計算出時空的幾何結構，再進一步去計算物質在引力場中的運動軌跡，而這里的引力場就是指彎曲時空。
愛因斯坦引力場從外表上看形式簡單，其實它是一個非常復雜的非線性偏微分方程組，很難有精確解，不過我們可以在一些假設的簡化下解出那么一個屬于自己的宇宙來，是不是很高大上。講真，愛因斯坦本人就是這么做的，當愛神把廣義相對論應用到整個宇宙的時候，他便遇到了讓他困惑的問題，這也就是開頭提到的那篇奠定現代理論宇宙學根基的論文。
○ 愛因斯坦1917年發表的這篇論文標志著現代宇宙學的誕生
愛因斯坦當時遇到的問題在于：他發現引力場方程在宇宙是均勻且各向同性的（宇宙學原理：宇宙從任意一點上看都是相同的以及從任何方向上看都是一樣的，這適用于大尺度范圍上的宇宙），這個假設下的解暗示宇宙是膨脹的，然而這個結果與當時靜態宇宙這一主流觀點相悖，愛因斯坦本身也很喜歡宇宙靜止不變的觀點，因為物理學家認為對稱是優雅、簡單而美麗的。
○ 愛因斯坦在他的方程中引入了宇宙學常數λ
因此，為了防止宇宙膨脹而得到靜態宇宙解 ，愛因斯坦在他的方程左邊添加了一個宇宙學常數（用希臘字母 λ 表示），再乘上時空的度規張量g（μν）得到宇宙學常數項，以平衡方程中的其他各項，靜止的宇宙才得以存在。這個操作我們稱之為微調，我們只要稍微調整一下常數的值，就可以得到不同的宇宙解。
但是加入了宇宙學常數項之后，方程就沒有原來那么簡單了，這就失去了方程的簡潔美，換句話說，就是沒有了原本的精妙。愛因斯坦也為此很糾結，認為引入宇宙學常數完全破壞了他方程的美感，雖然靜態的宇宙得以維持，但他一直覺得不引入 λ 會更好，而且愛因斯坦在他的論文中只是說明了 λ 在數學上的意義，并沒有詳細討論宇宙學常數現實的物理意義。
○ 添加了宇宙學常數的引力場方程
不過后面事情迎來了轉機，1929年，美國天文學家埃德溫·哈勃用加利福尼亞州威爾遜山上的胡克望遠鏡觀測到了比我們所在的銀河系更為遙遠的星系，在這之前，人們認為宇宙就是我們的銀河系，因此哈勃的觀測重新定義了我們的宇宙，更重要的是，哈勃還發現這些遙遠的星系都在互相遠離我們，并提出了著名的哈勃定律（現已被國際天文學聯合會改名為哈勃-勒梅特定律），這意味著我們的宇宙不是靜止的，而是在膨脹！
哈勃的這個發現含義深遠，對愛因斯坦來說則更加意義非凡，因為膨脹的宇宙已經不需要引入宇宙學常數來解釋了，這使愛神終于刪掉了這個 λ 項，讓廣義相對論回歸最初的簡潔。
1931年，高興的愛因斯坦專門來到威爾遜山天文臺和哈勃握手，感謝他讓自己的理論重歸美好。
○ 愛因斯坦在哈勃以及當時的威爾遜山天文臺臺長亞當斯的陪同下用胡克望遠鏡觀測宇宙
如果愛因斯坦沒有加入這個λ項，那他可以早哈勃12年就發現宇宙在膨脹，另外與此同時期的理論物理學家喬治·勒梅特、亞歷山大·弗里德曼在廣義相對論框架下均得出宇宙膨脹的結論，并在數學上解釋了哈勃定律，之后勒梅特又獨自將宇宙膨脹進行時間反演，這暗示著宇宙可能會有一個開端，而這將成為大爆炸理論模型的雛形。這些都是本可能屬于愛因斯坦的偉大成就，因此愛神說引入宇宙學常數是他職業生涯犯的最大錯誤。
不過，在之后的1998年，天文學家發現我們的宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹，為了解釋宇宙加速膨脹現象，理論物理學家們提出了暗能量理論，認為暗能量是（暗能量是指推動宇宙加速膨脹的所有物理因素，并不特指某一單一事物，事實上，目前任何事物都有可能）推動宇宙加速膨脹的幕后推手，現在大部分理論物理學家認為愛因斯坦在1917年提出的宇宙學常數可能充當暗能量的角色，只是和當年的意義不同，但形式是完全一樣的，因此，宇宙學常數又意外的回歸了，但是這個想法目前仍然面臨著巨大問題。
今天，以廣義相對論為框架的大爆炸宇宙學說是目前最為廣泛接受的描述宇宙的理論，其中的ΛCDM模型則是目前的宇宙學標準模型，因為它當前能夠提供宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結構以及宇宙加速膨脹的超新星觀測、暗物質等這些現象解釋的最簡單合理的宇宙模型。
○ 今天和宇宙早期的宇宙組成成分（數據來源于普朗克衛星）
距離愛因斯坦發表的那篇現代宇宙學奠基之作，如今已過去了100多年，在這期間我們的宇宙觀念在不斷的刷新著，當前我們正面臨暗物質、暗能量等棘手的難題，我們仍在黑暗中摸索。
不過我相信時間終將會給予我們答案，我也相信未來的基礎物理突破一定會出現在天體物理領域。
來源：時空旋律
編輯：hxg
