- 圖：宇宙不僅均勻地膨脹，而且內部有微小的密度缺陷，這使我們能夠隨著時間的推移形成恆星、星系和星系團。在均勻背景上增加密度不均勻性是理解當今宇宙的起點。
早在17世紀，艾薩克牛頓就提出了第一個有效的綜合引力理論：萬有引力定律。所有有質量的物體都會以瞬間的力吸引其他物體，這種力由所有物體（或粒子）對之間的距離決定。但是當我們發現狹義相對論，不同的觀察者會對這些距離值有不同的看法時，我們發現牛頓萬有引力定律存在侷限性。
當愛因斯坦在1915年提出廣義相對論時，它真正預示了物理學的一場革命。質量不僅僅是引力，所有形式的能量都是引力。空間和時間不是固定的和絕對的，而是作為時空聯繫在一起，具有相對於每個觀察者的屬性。時空彎曲和演化基於它所包含的所有物質和能量。只是，當愛因斯坦第一次將它應用到整個宇宙時，一個巨大的問題出現了，故事就是從這裡開始。
- 圖：在美國布萊斯峽谷（Bryce Canyon）的許多岩石的照片中，這些岩石尖頂又高又窄，上面的岩石卻能穩穩地立在尖頂上。如果頂部棲息的岩石移動或傾斜，使其質心不再位於尖頂的穩定位置上，它將會墜落下來。
引力是一種失控的力，這在牛頓和愛因斯坦的引力概念中都是正確的。如果你把一些物質（質量）均勻地分佈在整個空間中，你會發現你創造了一個不穩定的平衡系統，就像一塊在尖頂上的岩石。只要條件保持完美，物質將保持均勻，岩石將保持平衡。
但只要輕輕推一下岩石，或者在均勻的宇宙中移動一個質量，移動最小的量子距離，就可以保持平衡。一旦質心不再位於尖頂，它將開始經歷淨扭矩，而該扭矩將導致岩石在短時間內倒塌。對於一個不完美的宇宙來說，同樣的道理也是成立，因為最小的擾動將導致失控的引力增長，無論是在局部小體積空間，還是在達到最大的密度、或超過平均值的空間，都會如此。
- 圖：我們銀河系中一個沒有物質的空間區域揭示了宇宙的另一端，那裡的每一點都是一個遙遠的星系。團簇/空洞結構可以非常清楚地看到，這表明我們的宇宙並非在所有尺度上都具有完全均勻的密度。如果我們生活在一個極度緻密/空洞的區域，在我們的天文工具發展到接近現代標準之前，我們不會發現一個超越我們自己的星系。
出現此問題是因為總是存在萬有引力。這種力的本質是這樣的：一個密度更大的空間區域要麼在其體積內有更多的質量（牛頓），要麼在時空中的某個特定事件中導致空間曲率更大（愛因斯坦），這將優先吸引周圍區域的物質向它靠近。
一旦這種增長開始，它就永遠不會停止。稍加時間，你會發現這個最初過密的區域已經發展到更大的密度，現在更有效地吸引物質/能量。事實上，任何學習過廣義相對論課程的人都可以學會證明，靜止物質的任何初始靜態分佈都會在自身引力作用下崩潰，不可避免地導致黑洞。
- 圖：在一個沒有膨脹的宇宙中，你可以用你喜歡的任何形狀的靜止物質填充它，但它總是會塌縮成一個黑洞。這樣一個宇宙在愛因斯坦引力的背景下是不穩定的，必須擴展到穩定，否則我們必須接受它不可避免的命運。
這是引力的特徵，不是宇宙缺陷。但對愛因斯坦來說，這是一個巨大的難題。在他提出廣義相對論的時候，有許多我們今天認為理所當然的關於宇宙的事實愛因斯坦並不知道。這些事實包括：
- 天文學家看到的微弱的螺旋星雲和橢圓星雲實際上是星系本身，
- 銀河系並不是宇宙的全部，
- 我們的（可觀測的）宇宙延伸了數十億光年，而不僅僅是數千光年，
- 我們知道，我們的星系是一個巨大的、薄的、旋轉的圓盤，由氣體、塵埃和數千億顆恆星組成，它們都嵌在暗物質暈中。
相反，愛因斯坦的宇宙觀要簡單得多：幾乎完全均勻的物質分佈，主要以恆星的形式存在，隨著時間的推移，這種分佈保持不變。
- 圖：如果恆星（或光源）宇宙的分佈完全一致，那麼在你們看它的任何方向上，你都希望看到什麼。即使如此，最小的缺陷也會導致失控的引力崩潰。
你看到問題了嗎？如果愛因斯坦的引力理論廣義相對論是正確的，那麼一個靜止的、統一的宇宙將是不穩定的。另一方面，如果愛因斯坦認為宇宙是靜止的和統一的概念是正確的，就不應該像愛因斯坦所闡述的那樣用廣義相對論來描述宇宙。
換句話說，宇宙不能既靜止又統一，也不能用愛因斯坦的宇宙物質/能量與時空性質/曲率之間的關係來描述，一定還有別的東西在“玩”。
愛因斯坦最初的解決方案——他後來稱之為“最大的錯誤”——確實是添加了其他東西：宇宙常數。
- 圖：第一個方程代表廣義相對論的愛因斯坦方程，一邊是宇宙中的物質和能量，另一邊是空間的曲率，它們之間的關係由等號定義。第二個愛因斯坦對廣義相對論的修正，是在空間邊的曲率上加上一個宇宙學常數，作為這個謎題的特別修正。
引力總是一種吸引力，它是一種力，它越強，分隔任何兩個物體的時空間隔越小。然而，他的方程允許加法增加宇宙常數。常數的行為就好像它是一個具有均勻、正能量密度的場，但也是改變了宇宙的行為負面因素。
特別是，一個由宇宙學常數支配的宇宙，會看到你選擇的任何兩點之間的距離，隨著時間以一種特定（指數）的方式增加。愛因斯坦選擇將這兩種效應相互對立：
- 萬有引力的作用是吸引大眾相互靠近，
- 但是宇宙學常數可以把任何兩點分開。
通過將宇宙常數調整到正確的值，他可以通過平衡宇宙效應和這個常數來對抗引力。
- 圖：宇宙大尺度結構的演化，從早期的均勻狀態到我們今天所知的群集宇宙。（我們知道的膨脹是按比例縮小）當我們從早期（左）移動到晚期（右）時，你可以看到引力坍縮是如何塑造宇宙。
當然，這一點都不令人滿意，因為這也是一個不穩定的解決方案。把一個質量移得離另一個質量近一點，引力就克服了宇宙常數，導致了失控的引力增長。把一個質量移得遠一點，宇宙常數就太大了，它會無休止地加速這個質量物體。所有研究這些方程的人——可能也包括愛因斯坦——都認識到這不可能是真正的答案。
但要想找出正確的答案，首先需要一些理論上的發展。儘管在牛頓理論中很容易找到質量運動的精確解（只要把他的萬有引力定律和運動定律結合起來），但即使在今天，廣義相對論中也只有不到20個唯一的精確解。然而，最能模擬我們的宇宙的是，用任何你能創造的廣義能量形式，在最大尺度上均勻地填充宇宙。
- 圖：右邊還有第一個弗裡德曼方程。第一個弗裡德曼方程詳細描述了哈勃膨脹率的平方在左手邊，這支配著時空的演化。右邊包括所有不同形式的物質和能量，以及決定未來宇宙演化的空間曲率。這被稱為宇宙學中最重要的方程，由弗裡德曼在1922年以其現代形式導出。
然而，不是愛因斯坦解決了這個問題。1922年，亞歷山大·弗裡德曼（Alexander Friedmann）是第一個，控制宇宙在最大尺度上均勻填充的方程——也就是說，宇宙是各向同性的（在所有方向上都是一樣的）和均勻的（在任何地方都是一樣的）——允許我們將宇宙的演化與其能量含量聯繫起來。在世界其他地方，喬治·萊瑪·特雷、霍華德·羅伯遜和Art Walker也得出了同樣的解決方案。
這個解決方案最瘋狂的一點是，它明確地表明，宇宙的時空結構，充滿了同樣數量的物質，在任何地方都不能保持靜止，即使你包括一個宇宙常數。相反，它必須膨脹或收縮；沒有其他可用的選項。如果宇宙充滿物質和能量，只需要觀察遙遠的星系。如果它們的光移向更高的能量（波長越藍），距離越遠，它就會收縮；如果移向較低的能量（波長越紅），它就會膨脹。
- 圖：Vesto Slipher 在 1917 年首次指出，我們觀察到的一些物體顯示了特定原子、離子或分子吸收或發射的光譜特徵，但系統地向光譜的紅色或藍色端移動。當與哈勃望遠鏡的距離測量相結合時，這些數據產生了宇宙膨脹的最初想法：星系越遠，其光線就越紅。
主要使用Vesto Slipher的紅移數據，以及由埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）和米爾頓·胡馬森（Milton Humason）拍攝的光學數據的距離推論，我們可以立即開始告訴星系，紅移越遠，它們就越顯著。我們可以得出結論宇宙正在膨脹。
如果宇宙在膨脹，那麼它就不是靜止，所以沒有必要發明宇宙常數來防止宇宙塌縮成黑洞。愛因斯坦對宇宙的行為做了一個錯誤的假設，以宇宙常數的形式來修正宇宙發展，這證明了他最初的假設存在缺陷。
當他稱宇宙常數為他的"最大失誤"時，這確實是一個錯誤；如果他反而聽了方程告訴他，他就能預測到宇宙的膨脹！
- 圖：現代暗能量並沒有加入宇宙常數，而是被視為宇宙中能量的另一個組成部分。這種廣義的方程形式清楚地表明，靜態宇宙錯誤的，它幫助我們想象添加一個宇宙常數和包含一個廣義的暗能量之間的區別。
今天，就像20多年來的每一天一樣，科學界的共識是，確實有一種效應，其表現就像宇宙中的宇宙常數：宇宙的加速膨脹。只是，今天，我們不要求它必須是宇宙學常數；我們把它當作另一種廣義的能量形式，它有自己獨特的性質，必須通過觀測來確定暗能量。
我們今天看到的加速膨脹表明暗能量的行為與宇宙學常數的行為是不可區分的，這是非常有趣一件事情。毫不誇張地說，理解和解釋暗能量是21世紀科學麵臨的最大挑戰之一。
- 圖：從大爆炸到現在，在膨脹的宇宙背景下，我們宇宙歷史的例證。末端的"喇叭"形狀表示暗能量引起的加速膨脹速度。這表明宇宙是膨脹的宇宙，靜態宇宙不存在。
但歷史並沒有重現，愛因斯坦終究錯了。雖然我們的宇宙實際上可能有一個非零的宇宙常數，但它並不能穩定我們的宇宙。相反，我們的宇宙一點也不穩定；它正從最初的熱的、稠密的、均勻的狀態膨脹到我們今天看到的寒冷的、稀疏的、富含星系的宇宙。
愛因斯坦錯過了所有這些，因為他堅持靜止宇宙存在，併發明瞭宇宙常數來實現這一目標。把它拿走，就會得到一個非常像我們今天的宇宙。影響我們宇宙的宇宙常數，會打破膨脹和其他形式的物質與能量之間的平衡；它使遙遠的星系加速遠離我們，將宇宙推開。如果愛因斯坦預言了，那就太不可思議了。相反，他強迫方程符合他（不正確的）假設，錯過了膨脹的宇宙。
閱讀更多 科技領航人 的文章
