宇宙常数 爱因斯坦(爱因斯坦的故事是真的吗)

导读：物理学中的常数往往被认为是一个永远不会被人喜爱的定数，但随着时间的推移，常数能永恒吗？还是会有一些变化？此外，爱因斯坦利用这一点，大胆地在广义相对论中加入宇宙常数，结果发现这是一个乌龙事件。然而，多年后的今天，或许这一“乌龙”事件真的有其来源，甚至与“暗能量”有着密不可分的关系.2019年5月20日，国际单位制用各种基本单位取代了传统的原始装置，比如普朗克常数H、光速c，部分原因是各界人士普遍认为这些常数不会随着环境和时间的变化而变化，比传统的千克、米原型更可靠。同时，它们也反映了量子力学与普朗克常数有关，相对论与光速有关的概念，这一概念已经全面影响了科学界一个多世纪。这些常数早已通过电子仪器进入人们的日常生活。
但是“常数”是怎么来的呢？他们的价值观是什么？为什么会有专门的单位？伽利略伽利略的一句话伽利略说：“我们来做个实验。对于开头，400多年来人们对这些常数了解多少？
狄拉克大数猜想1928年，著名物理学家保罗狄拉克将薛定谔方程推广，写出了描述电子高速运动的相对论方程，后来被称为狄拉克方程。这个开创性的方程不仅使他与欧文薛定谔分享了1933年的诺贝尔奖，而且成为20世纪量子场论的开创者，影响深远。
1937年，狄拉克对物理常数的单位感到非常好奇和困扰，于是他希望整理出常数单位的来源和背后隐藏的奥秘。狄拉克发现，如果把宇宙的年龄(t=4.3 10 17秒)乘以光速，再除以经典电子的半径，可以得到一个没有单位的常数，巨大的数值是10 ^ 40。
结果暗示着这些与电子运动有关的物理常数似乎与宇宙的年数有着密不可分的关系，于是狄拉克大胆猜测，所有带单位的“常数”都是时间的函数，会随时间而变化。这个惊人的发现被称为狄拉克大数假说。为什么会有这样的巧合和关系？这一直是物理学家的一大好奇心。
大多数已知的物理常数来自各种已知的实验测量，但有一半的科学家不知道它们的来源和各种常数之间的关系。自从狄拉克写下大数猜想以来，许多科学家在好奇心的驱使下，相继发现了许多类似的关系，由此引发了更多人对这些常数的幻想。
在宇宙学中，哈勃常数H和宇宙常数是众所周知的，其中哈勃常数是埃德温哈勃测得的遥远星系距离地球很远且与距地球距离的变化略成正比的速度，而这个比值被称为哈勃常数。随后的精确测量不仅证实了宇宙在膨胀，而且发现哈勃常数根本不是常数，而是一个会随时间变化的变量。所以有的科学家改名为哈伯参数，有的暂时改不了名，仍然叫哈伯常数。很多发现似乎都呼应了狄拉克的猜想：已知的常数根本不是常数，它们会随时间而变化。
有趣的是，到了20世纪末，科学家发现宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度在大约50亿年前开始加快。科学家将加速因素推给了暗能量，一种未知的暗能量，可以抵抗引力的作用，为宇宙提供负压。
爱因斯坦最美的错误科学家花了很长时间才发现这种暗能量，最有可能的罪魁祸首是爱因斯坦在20世纪初的突发奇想。20世纪20年代以前，科学家认为整个宇宙“有一点点”像一个水系那么大，人类历史的记录中也没有出现过宇宙中恒星的大规模运动。当时的主流认知是宇宙是静止的，大小是圆盘直径10万光年的银河系。
1915年，爱因斯坦历尽艰辛，终于写出了惊天动地的广义相对论。1918年，它通过了SirArthur Eddington的日食光弯曲试验，证明了没有质量的光子会被太阳引力弯曲。然而，对于宇宙中的天体似乎是静止的，不会因引力而坍缩这一“事实”，爱因斯坦却找不到一个简单的答案。他突发奇想，在方程中加入了一个反重力常数，试图以一种巧妙的方式突破。
没想到，亚历山大弗里德曼老师很快找到了一套不需要宇宙常数的静态宇宙学解，可以轻松解决静态宇宙学和广义相对论的矛盾。不知道如何解释宇宙常数从何而来的爱因斯坦感慨地说，“宇宙常数是我一生中最大的错误”。
宇宙常数是谁定的？虽然爱因斯坦“认错”，但哈伯的发现让反重力找到了发挥的舞台。这个棘手的宇宙常数成了科学家无法摆脱的噩梦。
如果宇宙的膨胀取决于宇宙常数，科学家需要回答宇宙常数是什么。随着高能物理的蓬勃发展，科学家发现每一个基本粒子都在做简谐运动，它分裂成一个最低能量的状态，形成了众所周知的“真空”。这些非常活跃的真空是宇宙常数的来源。把每个基本粒子贡献的那点真空能量加起来，就是理论预言的宇宙常数。然而，预测值(约为10^92g/cm^3)与测量的宇宙常数(约为10-29g/cm 3)之差约为10.121倍。这种巨大的差异吓坏了每一个科学家。
1998年超新星观测实验后，世纪末的科学家发现宇宙正在加速膨胀，这让科学界看不到了。在此之前，大多数科学家认为，虽然宇宙在膨胀，但膨胀速度应该越来越小，甚至为了讨论方便，还创造了一个负加速度的术语：decceleration。然而，最新的结论是，宇宙中最大的物质成分是大约70%的暗能量，大约25%的暗物质和5%的普通物质或原子。
一般物质是指元素周期表中的元素和构成元素的基本粒子。在实验室中发现的大部分粒子都属于这类常见物质，而暗物质是指不与光发生反应或者反应不太好的物质，这使得它几乎不可能被观测到。所以叫暗物质，人们也不知道暗物质到底在哪里。暗能量用来指加速宇宙膨胀的罪魁祸首。目前，所有可靠的证据都指向宇宙常数是暗能量。
总之，现在的麻烦是，宇宙常数虽然很小，但也不能太小，是目前宇宙中最重要的主角。科学家必须回答它是太大还是太小。
史蒂芬温伯格是温伯格科普著作《前三分钟《宇宙前三分钟》(前三分钟3360a宇宙起源的现代观点)的作者，因其在描述弱电相互作用模型方面的开创性研究，与阿卜杜勒萨拉姆和格拉肖一起获得了1979年的诺贝尔奖。1988年，他应邀在哈佛大学做了为期一周的四次系列讲座。讲座的主角是神秘的宇宙常数。他在哈佛的四次精彩演讲和理查德费曼1965年在康奈尔大学的六次物理课，都有互相较劲的味道。
他在演讲中还提到了费曼的路径积分，称如果没有费曼积分的帮助，弦理论的计算将会很困难。但是他经常听到有人抱怨这些计算太复杂，看不到物理！温伯格神秘地回答：“是的，路径积分最大的缺点是看不到物理，但这也是它最大的优点！”就像宇宙常数在前，突然在后的神奇作用，让人觉得深不可测。
温伯格在演讲中还引用了威廉米尔斯(William Mearns)的一首诗《不存在的小人物》(当时在场的小个子)。诗中的描述把宇宙常数比作“只听到楼梯的声音，却没有人下来”，让科学家非常非常好奇，想上楼一探究竟。
神奇的进化过程：用质量来封印能量。一些科学家认为物理常数的单位与类似上帝粒子的希格斯标量场有关。希格斯场已知的主要工作是确定大多数基本粒子的质量。
宇宙之初，只有巨大质量的能量，所有基本粒子都以光速运动。然后宇宙的温度随着时间的增加而冷却下来，一些基本粒子通过希格斯粒子的耦合开始获得质量。质量的形成不仅可以封存宇宙的巨大能量，受质量影响的基本粒子也像中年胖叔一样，开始走不动了。它们与过去光速运动的无质量粒子完全不同，成为牛顿力学厨房里的标准食材，铺展出与发胖前完全不同的生活。
由于能量守恒，以光速运动的无质量物质的能量密度(r)随着宇宙尺度a(a可以想象为宇宙的半径)而膨胀，并以上图中绿色曲线所示的A-4方式递减。而质量物质的能量密度(m)随着宇宙尺度A而膨胀，如图中红色曲线所示，以A-3的形式递减。最神奇的宇宙常数，也就是宇宙能量密度常数 ()，如图中黑色曲线所示。它不会随着时间而改变，是一个名副其实的常数。
早期宇宙中，以光速运行的物质，称为辐射物质，控制着宇宙的膨胀；当质量物质开始主宰宇宙时，科学家称之为物质主宰时代；后续的宇宙常数主导宇宙演化后，称为真空控制时代。
有趣的结果是，以光速运动的物体满足 (r) a=常数，质量看起来跑不动的物体满足 (m) a=常数。看起来，光子等物质好像生活在四维空间，受质量影响的基本粒子像跑不动的中年大叔一样生活在三维空间。这是一个很容易想象的结论。
上图一直表明，随着宇宙的演化，宇宙的规模随着时间的增加而增加，宇宙中物质密度的黄金十字会相继出现。即使刚开始辐射很小，短时间内也会变得极大；只有一点点有质量的物质存在。在随后的演化过程中，黄金十字依然会出现，宇宙将从辐射控制时代进入物质控制时代。
找出宇宙的秘密。不管宇宙的常数一开始有多小，根据其不可改变的特性，宇宙终将进入暗能量控制时代。虽然能量、物质、暗能量之间可能存在相互作用、相互演化，但这是大势所趋。更复杂的问题是，科学家必须综合各种观测结果来解释为什么物质物种分布比例是70336025:5。
当然，写了很久，作者还是没有回答狄拉克关于常数来源的疑问。虽然科学家在理论上取得了很大的进步，但是仍然没有办法完美的解释这些“常数”到底是不是常数，它们背后真正隐藏的意义是什么？