近日，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)引力波直接證據(jù)的消息公布。在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)召開(kāi)的發(fā)布會(huì)上，LIGO研究者公布了aLIGO在2015年9月發(fā)現(xiàn)了一個(gè)引力波信號(hào)。這個(gè)信號(hào)源自兩個(gè)巨大的黑洞，他們經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的繞轉(zhuǎn)，融合，通過(guò)引力波輻射能量，越轉(zhuǎn)越近，最終并合形成更大的黑洞。經(jīng)過(guò)10億年的漫長(zhǎng)旅行，這次并合產(chǎn)生的一小部分引力波信號(hào)抵達(dá)了地球。LIGO在15年9月14日探測(cè)到了，最終將它命名為GW150914。至此阿爾伯特.愛(ài)因斯坦的狂野理論獲得證實(shí)，進(jìn)一步證明了愛(ài)因斯坦的天才。

但身為天才并不能保證這位科學(xué)家不犯錯(cuò)。愛(ài)因斯坦死于1955年，他一生中最重大的某些失誤是在他拒絕相信隱含于他自己理論的結(jié)論時(shí)發(fā)生的。和大多數(shù)物理學(xué)家一樣，他有時(shí)把這些錯(cuò)誤寫(xiě)入論文發(fā)表出來(lái)。通過(guò)這些錯(cuò)誤，我們可以看出愛(ài)因斯坦的思想經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展過(guò)程，關(guān)于宇宙的科學(xué)觀念隨之發(fā)生了怎樣的變化。愛(ài)因斯坦的錯(cuò)誤也為前沿發(fā)現(xiàn)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。多年以來(lái)，愛(ài)因斯坦大膽地重新了定義空間和時(shí)間的人，低估自己的發(fā)現(xiàn)并在事后批評(píng)自己的次數(shù)多得有點(diǎn)驚人。今天，宇宙學(xué)中三個(gè)蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域均建立在他曾誤判的想法之上。比如：引力透鏡作用、引力波和宇宙的加速膨脹。那么，今天就來(lái)盤(pán)點(diǎn)一下天才愛(ài)因斯坦曾犯過(guò)的“錯(cuò)誤”！

1. 量子糾纏

量子糾纏現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是愛(ài)因斯坦為了說(shuō)明量子力學(xué)理論的不完備性時(shí)舉出的一個(gè)例子，文章發(fā)表在Physical Review上，說(shuō)明如果量子力學(xué)理論成立，則可能存在這樣一個(gè)所謂糾纏狀態(tài)，即一個(gè)粒子態(tài)波函數(shù)的塌縮會(huì)導(dǎo)致與之處在糾纏態(tài)的另一個(gè)粒子態(tài)波函數(shù)塌縮，這種物理現(xiàn)象顯示遙遠(yuǎn)分離的物件能互相影響，愛(ài)因斯坦稱之為“幽靈的超距作用"，愛(ài)因斯坦認(rèn)為這是超距作用，和相對(duì)論理論矛盾，所以量子力學(xué)的描述是不完備的，這又叫做EPR佯謬。他不認(rèn)同這種可能性，拒絕相信物件不管相離多遠(yuǎn)都能互相影響。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為幽靈的超距作用不可能被證實(shí)，但事實(shí)上它被證實(shí)了，他覺(jué)得那是有點(diǎn)非物理學(xué)的。但事實(shí)上，它是對(duì)的。

2. 引力透鏡作用

1936年12月，愛(ài)因斯坦在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇文章《恒星通過(guò)引力場(chǎng)偏折光線的類透鏡行為》，細(xì)述了他稱之為“光在引力場(chǎng)的偏移顯示星體起到類似透鏡的作用”，即是空間中的物體會(huì)使光偏移的概念。

“當(dāng)然，”他馬上不客氣地寫(xiě)道，“想直接觀察這一現(xiàn)象是沒(méi)希望的?！钡渌煳膶W(xué)家指出說(shuō)：“愛(ài)因斯坦他只考慮了星體的透鏡作用，卻沒(méi)有考慮到星系。他要做天文學(xué)家不夠格。”在引力透鏡的問(wèn)題上，愛(ài)因斯坦的關(guān)鍵錯(cuò)誤是輕視了自己的一個(gè)最重要的成果 ：光會(huì)在引力場(chǎng)中彎曲。

這篇文章以一種現(xiàn)代學(xué)術(shù)論文中不可能找到的方式開(kāi)頭：“不久以前，捷克工程師曼德?tīng)柊菰L了我，讓我把在他請(qǐng)求下進(jìn)行的一點(diǎn)計(jì)算的結(jié)果發(fā)表出來(lái)。這篇短文實(shí)現(xiàn)了他的愿望?！边@個(gè)“一點(diǎn)計(jì)算”探討了引力導(dǎo)致光線極端偏折的可能性。對(duì)于愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)，很容易就可以證明，如果天體質(zhì)量足夠大，且來(lái)自這個(gè)天體后方的光線與它的距離足夠近，那么這些光就可以被引力強(qiáng)烈地扭曲，從而可以匯聚到一起，產(chǎn)生遠(yuǎn)方天體放大或者多重的像。這種效應(yīng)與光線通過(guò)透鏡時(shí)的彎折類似，故得名引力透鏡。引力透鏡已經(jīng)發(fā)展成為了現(xiàn)代宇宙學(xué)中最重要的觀測(cè)工具之一，因?yàn)樗峁┝艘环N得到宇宙中質(zhì)量分布的方法，甚至對(duì)不可見(jiàn)的物質(zhì)也能奏效。

然而，愛(ài)因斯坦沒(méi)有意識(shí)到引力透鏡效應(yīng)的強(qiáng)度和重要性。相反，他在1936年的文章中得出結(jié)論，光線經(jīng)過(guò)臨近恒星時(shí)形成的多重像之間的間隔太小，實(shí)際上是分辨不出來(lái)的。這就可以解釋為什么他文章的引言會(huì)如此自謙。嚴(yán)格地說(shuō)，愛(ài)因斯坦的結(jié)論是對(duì)的，但是他顯然沒(méi)有意識(shí)到恒星不是唯一能導(dǎo)致光線彎曲的天體。
　
3. 宇宙論常數(shù)

在完成創(chuàng)世巨著《廣義相對(duì)論》后不久，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)由該理論所導(dǎo)出的宇宙觀竟然與當(dāng)時(shí)物理學(xué)家（包括他自己）所接受的不同；為把自己的廣義相對(duì)論原理用于宇宙結(jié)構(gòu)中，愛(ài)因斯坦把一個(gè)代表“宇宙常數(shù)”的術(shù)語(yǔ)引入他的方程式，因?yàn)樗嘈潘枰枋鲆粋€(gè)會(huì)反作用于萬(wàn)有引力的排斥力，以便得出宇宙是靜態(tài)的。 沒(méi)想到12年后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的宇宙觀根本就是錯(cuò)的！ 因?yàn)橛钪姹话l(fā)現(xiàn)是在擴(kuò)張中。

愛(ài)因斯坦非常后悔地悄悄將那常數(shù)從其筆記本上擦去，謂這是他一生中所犯的”最大錯(cuò)誤”！ 可是該常數(shù)卻陰魂不散，在愛(ài)因斯坦去世后四分之一世紀(jì)，又重新登上舞臺(tái)，成了今日探討宇宙歷史的主要工具。

1979 年十二月，美國(guó)基本粒子研究者古士突然心血來(lái)潮，懷疑他的研究超冷（supercooled）的希格斯場(chǎng)（Higgs field）或許也適用于宇宙論。 進(jìn)一步探討的結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)其超冷希格斯場(chǎng)所具有的能量及負(fù)壓比，正與愛(ài)因斯坦強(qiáng)行加入其宇宙論的宇宙論常數(shù)一樣！ 此常數(shù)是愛(ài)因斯坦用來(lái)平衡重力相吸的人為常數(shù)，本來(lái)應(yīng)該沒(méi)有什么物理意義的！ 但從其在數(shù)學(xué)式子中所占的位置，拉麥崔（比利時(shí)牧師及天文學(xué)家）看到了其所代表的物理意義：均勻地分布于空間的一種奇怪能量。 愛(ài)因斯坦并未提出此一能量的可能來(lái)源，但分析顯示它絕不是我們所熟悉之電子、質(zhì)子或輻射能等。

在牛頓力學(xué)里，重力的來(lái)源只是質(zhì)量；愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論告訴我們，能量也是一種質(zhì)量，因此在廣義相對(duì)論里，能量也會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)相吸的重力效應(yīng)。 事實(shí)上不只如此，廣義相對(duì)論里還有第三種重力來(lái)源：壓力！ 更奇怪的是，如果壓力為正（類似容器內(nèi)之氣體壓力），則可造成相吸的重力效應(yīng)；如果為負(fù)，則可造成相斥的重力效應(yīng)。 后者的負(fù)內(nèi)壓，正是愛(ài)因斯坦用來(lái)平衡相吸之重力，而達(dá)到靜態(tài)宇宙觀的方法！

但不管怎樣，“宇宙是靜態(tài)的”在當(dāng)時(shí)是被普遍接受的。另外，它還是一個(gè)數(shù)學(xué)上的錯(cuò)誤，因?yàn)橛钪娉?shù)并不能產(chǎn)生靜態(tài)宇宙，它會(huì)使得宇宙的擴(kuò)張?jiān)絹?lái)越快，那正是我們現(xiàn)在所體驗(yàn)到的。
假若愛(ài)因斯坦他有勇氣堅(jiān)持自己的想法，在某種意義上，他應(yīng)該意識(shí)到他的原理需要一個(gè)擴(kuò)張中的宇宙，而不是一個(gè)靜態(tài)的宇宙，而他能預(yù)測(cè)到它。

4. 引力波

引力波的直接證據(jù)讓愛(ài)因斯坦重新在新聞上亮相，因?yàn)樗谝粋€(gè)世紀(jì)前最早提出它的存在。盡管引力波背后有很復(fù)雜的數(shù)學(xué)，但是他的推導(dǎo)思路并不復(fù)雜。根據(jù)電磁學(xué)定律，如果我們來(lái)回移動(dòng)電荷，那么就制造出了振蕩擾動(dòng)。這種振蕩將表現(xiàn)為電磁波，例如光。類似地，如果在池塘水面來(lái)回移動(dòng)一塊鵝卵石，那么就制造出了水波。愛(ài)因斯坦已經(jīng)證明了物質(zhì)會(huì)令空間彎曲，故運(yùn)動(dòng)物質(zhì)應(yīng)該可以產(chǎn)生類似的、空間本身的振蕩擾動(dòng)。有趣的是，他在提出這一想法的20年后，曾一度改變念頭。

愛(ài)因斯坦于1936年寫(xiě)過(guò)一篇論文說(shuō)它們是不存在的，撤回自己的主張，提交給《物理評(píng)論》的論文中宣布自己的想法有所改變。他如何犯了這個(gè)錯(cuò)誤以及之后如何發(fā)現(xiàn)自己錯(cuò)誤的故事近乎滑稽。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，他在計(jì)算上有一個(gè)錯(cuò)誤，幸虧這錯(cuò)誤在他正打算發(fā)表論文之前發(fā)現(xiàn)了。

而那篇論文被第一家雜志《物理評(píng)論》拒絕了，審稿人羅伯遜檢查了那篇論文，并發(fā)現(xiàn)了那個(gè)錯(cuò)誤。愛(ài)因斯坦很生氣自己的論文要受檢查，打算拿去另一家不知名的雜志發(fā)表，但他也發(fā)現(xiàn)了那個(gè)錯(cuò)誤，重寫(xiě)了論文，于是，它發(fā)表時(shí)是正確的。

而愛(ài)因斯坦最終是怎么得到正確結(jié)論的？據(jù)他的助手所說(shuō)，當(dāng)時(shí)的審稿人羅伯遜找到愛(ài)因斯坦助手并善意地向他解釋了最初那篇論文中的錯(cuò)誤和可能的解決方法，其助手把這些都告訴了愛(ài)因斯坦。羅伯遜顯然從未透露他是審稿人，而愛(ài)因斯坦也從未提到最初的審稿意見(jiàn)。結(jié)果是，愛(ài)因斯坦從未發(fā)表他關(guān)于引力波是否存在的錯(cuò)誤論斷，但這多虧了一位特別勤奮的審稿人的干預(yù)。

而那個(gè)錯(cuò)誤，就是愛(ài)因斯坦在寫(xiě)出平面引力波（平的、間隔均勻的波，類似于遠(yuǎn)處落入池塘的石頭產(chǎn)生的漣漪）的公式時(shí)，在計(jì)算過(guò)程中碰到了一個(gè)奇點(diǎn)——一個(gè)物理量變?yōu)闊o(wú)限大的地方。這個(gè)難以理解的結(jié)果讓他們推斷，這樣的波不可能存在。

實(shí)際上，愛(ài)因斯坦誤解了自己理論中的數(shù)學(xué)。廣義相對(duì)論告訴我們，自然規(guī)律與科學(xué)家如何在空間中定義坐標(biāo)系是無(wú)關(guān)的；現(xiàn)在我們知道，解相對(duì)論方程得到的許多看似奇怪的結(jié)果，其實(shí)只是使用了錯(cuò)誤坐標(biāo)系而導(dǎo)致的人為產(chǎn)物。例如，在黑洞周?chē)幸粋€(gè)名為事件視界的區(qū)域，在此之內(nèi)物體無(wú)法擺脫黑洞的引力。在分析一個(gè)黑洞周?chē)臅r(shí)空幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，很多物理量——包括距離和時(shí)間——看起來(lái)都在視界上發(fā)散，變成了無(wú)窮大。

然而，這些無(wú)窮大是非物理的。通過(guò)光在空間中的運(yùn)動(dòng)定義另外一組坐標(biāo)系，這些無(wú)窮大就都消失了。引力波也是如此。沒(méi)有任何單一坐標(biāo)系能消除平面引力波的奇異性，但這種奇異性依然是不真實(shí)的。使用兩個(gè)不同的、互相重疊的坐標(biāo)系，這些奇異性就消失了。

愛(ài)因斯坦仍然堅(jiān)信其論斷，他把文章重新投到《富蘭克林研究所雜志》。但在文章發(fā)表之前，他意識(shí)到了問(wèn)題，并告訴編輯他發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤。最終發(fā)表的版本，標(biāo)題變?yōu)椤蛾P(guān)于引力波》，文章提出了用一個(gè)不同坐標(biāo)系得到的廣義相對(duì)論方程的解。這個(gè)坐標(biāo)系適用于柱引力波而不適用于平面引力波，其中沒(méi)有奇異性。

所以愛(ài)因斯坦當(dāng)年想撤回的恰好是今年剛剛發(fā)現(xiàn)的東西，似乎一切都來(lái)得那么有詩(shī)意！今天，探測(cè)來(lái)自黑洞碰撞和恒星爆發(fā)，或來(lái)自暴脹時(shí)期（大爆炸后緊接著的一個(gè)極快速膨脹的時(shí)期）的引力波有希望打開(kāi)新的窗口，幫助物理學(xué)家更好地探測(cè)宇宙。

（看看新聞網(wǎng)記者：常穎）