寫在前面的話：很久沒更新了，一個原因是最近保密認證時期比較忙，另一個原因是因為我發(fā)現(xiàn)我的文章被很多人莫名其妙的在其他平臺原原本本的抄襲了（比如網(wǎng)絡毒瘤的百度，旗下的百家號等等），我將問題反饋至頭條，但是頭條讓我自己解決。我想說的是，作者一個字一個字的打出來寫出來不容易，請尊重我的勞動，在把文章抄過去之后請注明作者（頭條號：大盧講物理），謝謝。今天我們要講的是宇宙常數(shù)這個謎一樣的東西。

牛頓力學建立以后，宇宙結構的早期模型基本上被淘汰了。早期宇宙模型無論在古中國還是古希臘，都認為宇宙是有限的、有邊界的。但這種模型會得到一個悖論：有限有界就意味著存在邊界以外，而“宇宙”本身就是“囊括一切”的，沒有什么東西能在宇宙之外。既認為宇宙囊括一切，又認為有邊界而承認宇宙還有宇宙之外，這是一個很明顯的悖論。

為了解決上述悖論，牛頓和萊布尼茨主張宇宙是無限的。1692年12月10日，牛頓在給本特利牧師寫的一封信中對“為什么將宇宙當作一個到處充滿物質(zhì)的無限容器”（頭條號：大盧講物理）作了解釋：

······如果構成我們的太陽和行星的物質(zhì)以及宇宙的全部物質(zhì)都均勻分布于整個天空，每個質(zhì)點對于其他一切質(zhì)點來說都有其內(nèi)在的重力，而且物質(zhì)分布于其中的整個空間又是有限的，那么，處于這空間外面的物質(zhì)，將由于其重力作用而趨向所有處于其里面的物質(zhì)，而結果都將落到整個空間的中央，并在那里形成一個球狀物體。但是，如果物質(zhì)是均勻分布于無限的空間中的，那么它就絕不會只是聚集成一個物體，而是其中有些物質(zhì)會聚集成一個物體，而另一些物質(zhì)則會聚集成另一個物體，以致造成無數(shù)個巨大物體，它們彼此距離很遠，散步在整個無限的空間中。

無限空間里有無限數(shù)量的恒星，它們均勻分布在整個空間中，每個恒星在各個方向上的受力相同，于是乎宇宙就穩(wěn)定下來了。“靜態(tài)宇宙”是東西方一直以來的傳統(tǒng)看法，符合自古到牛頓所有宇宙模型的基本要求。但是這帶來了一個問題，如果無限空間有無限數(shù)量的恒星，則空間任意一點的引力將會趨向無限大，任意點的引力將會趨向無限大，引力勢就無法確定。這也導致了我們之前講到的“奧伯斯佯謬”，即黑夜為什么會存在。

由于上面的原因，牛頓只好認為宇宙是無限的，而星體分布在有限空間里，在討論這樣一個有限力學體系的狀態(tài)、運動時，我們可以取一個參考系，引力勢在無限遠處稱為常數(shù)。（頭條號：大盧講物理）同一時代的萊布尼茨則反對，星體一定均勻分布在整個無限的空間，即無限的空間中有無限數(shù)量的恒星。理由是如果恒星有限，則物質(zhì)宇宙仍然有界。這樣，問題又回歸了古老的悖論上去了。

到19世紀90年代中期，德國天文學家諾依曼和希利格對牛頓的宇宙模型提出了一個新的想法。既然牛頓模型采取了在無限空間中的有限空間里分布有限星體的觀點，那么除了萊布尼茨指出的困難外，牛頓又回到了原來試圖躲避的困難之中：由于引力作用，宇宙會收縮。為了避免收縮，諾依曼和希利格提出：無限空間應該保留，恒星也是有限的，但在引力方程里加入一個“宇宙項”(cosmological term)λφ，這一項也稱為“斥力項”。（頭條號：大盧講物理）有了斥力存在，宇宙收縮的可能性就可以被防止了。宇宙項中的 λ即為宇宙常數(shù)。但是這個觀點對于萊布尼茨提出的“有限分布意味著物質(zhì)宇宙有界”的問題根本無法解決。

一絲轉機

愛因斯坦在1916年提出廣義相對論后不久便轉向了宇宙學，因為廣義相對論本身的需要。廣義相對論是一種不同于牛頓萬有引力理論的理論，它們之間在基本概念上有本質(zhì)上的區(qū)別。但是，絕大多數(shù)情況下由于引力場非常微弱，所以這兩個理論之間的差別就非常小。也就是說廣義相對論的最低一級的近似于牛頓萬有引力理論完全等價，牛頓引力理論足以解決宇宙學中的大部分問題。

引力紅移、光線彎曲等效應在廣義相對論的第一級近似中能夠表現(xiàn)出來，而且也得到實驗驗證，對廣義相對論得到公眾的認可起到重要作用，但是它們并不足以顯示出這兩個引力理論之間本質(zhì)上的巨大差別。因為只有在強引力場中，兩者差別才能清晰的表現(xiàn)出來。我們生活中的宇宙是那時唯一知道的強引力場，也就是說唯有在廣闊的宇宙空間里可以充分展示廣義相對論的力量。

愛因斯坦開始研究宇宙學時，有幾個觀點似乎與牛頓力學理論相符，也與日常經(jīng)驗相符（頭條號：大盧講物理）：1、宇宙的空間是無限的；2、宇宙的物質(zhì)內(nèi)容是有限的；3、宇宙在整體上是處于靜態(tài)的；4、排斥力（宇宙常數(shù)）可以引入到引力理論中。

其中第一條，廣義相對論已經(jīng)給出了完全不同的答案。我們知道廣義相對論需要的空間是“黎曼空間”，因此對于愛因斯坦的宇宙理論：宇宙是有限無邊的。在回答“宇宙是不是靜態(tài)的”問題上他的引力方程和牛頓方程是一樣的，只有引力項，必然會導致宇宙的收縮，所以愛因斯坦在他的方程里也引入了一個宇宙項。開始的時候愛因斯坦也不喜歡這個宇宙常數(shù)，因為引進這一項后，原來的引力方程在美學上受到了損害，即對稱性遭到破壞。但是如果沒有這一項，在試圖求解方程時，必然發(fā)現(xiàn)宇宙不是膨脹就是收縮。那時根據(jù)天文學的觀測結論，無法相信宇宙會膨脹或收縮的，所以只能加入了“宇宙項”。

這個反引力與其他所熟知的力不同，它不來源于任何特殊的源，而是被納入時空本身的結構之中，它還隨兩物體之間距離增大而增大，并且只取決于其中一個物體的質(zhì)量。這種無源特性的力是令人十分費解的。1917年2月，愛因斯坦在《根據(jù)廣義相對論對宇宙學所作的考察》一文中大膽地提出了自己的廣義相對論宇宙學。

當然這篇文章中還包含了很多問題和困難，但作為一種體系理論，標志著物理學又翻開了新的一章。但他并不像提出狹義和廣義相對論的時候那樣有把握。一方面因為“宇宙常數(shù)”的方程破壞了引力方程的對稱性。另一方面因為這個宇宙項的古怪性質(zhì)讓人很不放心。后來事態(tài)的發(fā)展說明了他的擔心不無道理。我們下一篇接著聊。歡迎關注頭條號：大盧講物理。