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【科學講堂】愛因斯坦「生命中最大的錯誤」

2017-05-17

誤信宇宙靜止加「常數」 天文望遠鏡確認宇宙膨脹

客觀驗證是科學重要一部分

幾星期前提及愛因斯坦(Albert Einstein)這位家傳戶曉的物理學家。有人說他是神人,而他好像也成為了電影、電視中瘋狂科學家的經典形象。

今次要跟大家分享愛因斯坦一個舉世聞名的錯誤(他自己也將之稱為「生命中最大的錯誤(biggest blunder of life)」)。當然這樣做不是為了要說他的壞話,而是因為這個「愛因斯坦犯錯了」的故事有點兒曲折,還開展了物理學研究的新一頁呢。

廣義相對論解水星「不聽話」

故事開始於20世紀初期。當時的學者們應用牛頓(Isaac Newton)的萬有引力理論,看來已經掌握了星體運動背後的原理了。尤其是在19世紀中期,科學家們還利用牛頓的理論成功預測了海王星的存在,準確地指出了它的軌跡。然而,水星卻不是那麼「安分守己」: 它的部分軌跡就是不能被牛頓的理論解釋。

對於這個問題,愛因斯坦採用了一個新的出發點:力是不存在的,各種物體以不同形式移動,是因為時空被附近的能量扭曲了。這個思想框架導引出的廣義相對論(General Relativity),成功解釋了水星「不聽話」的軌跡,但是卻又令愛因斯坦苦惱不已:倘若把廣義相對論應用於宇宙之上,會引導出宇宙在膨脹的結論。

愛氏「深信」宇宙靜止

愛因斯坦對此不以為然,因為他深信,宏觀上來說,宇宙應該是靜止不變的,而不應該在逐漸膨脹。為了解決這個問題,他在廣義相對論的方程式中,加入了一個常數(常數者,痡`不變之數也;說穿了,就是一個普普通通的數字)。這個數字,被稱為「宇宙常數」(Cosmological Constant)。在廣義相對論的方程式中,它就好比一個新的吸引力來源,把本來極欲自我膨脹的宇宙「吸住」,因而達至平衡,造成一個靜止不動的宇宙。

哈勃及夥伴證改動多餘

很不幸地,愛因斯坦的這個改動看來好像是多餘了。著名天文學家哈勃(Erwin Hubble)在1929年發表了一項研究結果:利用位於美國加州威爾遜山天文台(Mount Wilson Observatory)直徑100吋的望遠鏡,哈勃和他的科學夥伴發現,大部分星體都在離地球而去,而且和地球距離愈遠的,跑得愈快。這個現象,正好就可以用「宇宙在膨脹」來解釋。

既然「膨脹的宇宙」正在現實中發生,根本就沒有什麼大問題,那麼在廣義相對論中加入宇宙常數,就變得毫無意義了。對此,愛因斯坦後來也承認, 這是他「生命中最大的錯誤」。 ■張文彥博士

小 結

科學家也是人,科學探究也無可避免地摻進了個人觀感和偏好,就連著名的科學家愛因斯坦也不例外。幸而科學探究本身包含了客觀驗證,促使我們將主觀感覺和客觀事實分開。

不過,宇宙常數的故事,其實並未完結:現今的科學家反而是在熱烈討論宇宙常數。這個故事的後續發展,下次再來和大家分享。

作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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