当爱因斯坦利用他的新理论来描述宇宙的时候,他所追寻的是一个有限的,静态的,满足马赫原理的解(例如,物质的分布如果仅局限於有限的空间范围之内,则似乎不能满足马赫原理。
因为马赫认为我们需要物质以便定义空间),这三项偏见使得爱因斯坦引入了宇宙项来建构一个静态解,这个静态宇宙解是有限的也是没有边界的—它会弯曲回来,像是气球表面,
3宇宙常数的消亡与复活
在1917年,荷兰宇宙学家德西特证明了即使没有物质,只要有宇宙常数,也可以找到一个时空解,这是非常不符马赫原理的结果。
后来人们发现德西特的模型并不是静态的时空,俄罗斯物理学家佛里特曼在1922年建构了膨胀与收缩的宇宙,这个模型并不需要宇宙项,1929年美国物理学家哈伯发现宇宙在膨胀。
在1930年,英国天文物理学家艾丁顿证明爱因斯坦的宇宙其实并不真的是静态的:因为重力与宇宙项的平衡非常不稳定,些许的微扰就会导致急速的膨胀或收缩。
1931年,因哈伯的发现使得我们“不必以宇宙项来抵消重力”,爱因斯坦就正式放弃了宇宙项。
他说,“反正它的理论基础也不令人满意,”在接下来的60年里,宇宙项被排除在宇宙学之外。
爱因斯坦曾说,他这辈子犯下的最大错误是在广义相对论方程式中加入“宇宙常数”,即一种他设想的未知宇宙能量。
但美国天文学家说,根据哈勃太空望远镜的观测结果,爱因斯坦没错,宇宙中确实存在被科学家称为“暗黑能量”的神秘力量,这种能量在推动宇宙加速膨胀。
早先让宇宙项复活的却不是处理大宇宙尺度的相对论,而是处理小尺度世界的量子力学,但是宇宙项最令人惊讶的地方在於,即使爱因斯坦没有因为一时困惑而将它引进理论之中,我们现在也了解到它的存在似乎还是无法避免。
现今宇宙项复活的原因不在处理最大尺度宇宙的相对论,而在於量子力学,这个最小尺度世界的物理,我们对於宇宙项的崭新观点和爱因斯坦的不同。
他原先的方程式(Gμν=8πGTμν)联系了空间的曲率(Gμν)和物质与能量的分布(Tμν),其中的G是界定重力强度的牛顿常数,。
当爱因斯坦加进宇宙项时,他把它放在方程式的左边,认为宇宙项是空间的性质〈意义改变了〉,但是如果我们把它移到方程式的右边,意义就完全不一样,它代表了一种怪异的新型能量密度,
6宇宙常数之引力场
(1)哈勃定律1929年﹐哈勃发现星系红移的哈勃定律﹐确定静态宇宙模型与实际不符。但有些学者﹐如爱丁顿﹑德西特﹑泽尔多维奇则认为宇宙常数可能有新的物理意义﹐不宜轻易抛弃。目前﹐学者们对宇宙常数的看法并不一致﹐有的认为是正值﹔有的认为是负值﹔有的认为是常数﹔有的则认为它随时间而变化。但多数倾向于取正值﹐其物理意义可能代表宇宙真空场的能量-动量张量与可能存在于物质之间的斥力。估计宇宙常数的上限为10厘米。
(2)宙模模型cosmologicalmodel对宇宙的大尺度时空结构、运动形态和物质演化的理论描述。又称模型宇宙。
按照宇宙大尺度结构,有两种不同的模型:
①均匀模型,即认为大尺度上物质的分布基本上是均匀各向同性的,满足宇宙学原理,另一种是等级模型,认为天体的分布是逐级成团的,物质分布在任何尺度上都具有非均匀性。按照运动形态,也有两种模型。
②把红移解释为系统性运动,各种膨胀宇宙模型都属于此类。另一种则把红移解释为另外的机制。按照演化来区分,则有演化模型和稳恒态模型。
前者认为宇宙大尺度上的物质分布和物理性质随着时间有明显的变化,后者则认为宇宙的基本特征不随时间变化。
在已有的各种宇宙模型中,热大爆炸宇宙模型最有影响。它解释的观测事实最多。因而,已被普遍接受。