闭合宇宙：大胆设想与意外“错误”

爱因斯坦提出广义相对论后，科学界掀起了一场关于宇宙起源和引力本质的探索热潮。然而，这个旅程中发生了令人惊讶的转折：爱因斯坦原本的“静态宇宙”设想被证明是一个错误。这一过程不仅揭示了科学探索的曲折，也让我们看到了宇宙的动态膨胀本质。

在广义相对论问世之初，物理学界刚刚开始探索原子层面的现象，许多人期待能将这一理论应用到原子物理学。然而，爱因斯坦冷静地分析后发现，广义相对论对原子物理学几乎没有贡献。

当时，科学家只知道电磁力和引力两种相互作用力。爱因斯坦指出，两个电子之间的电磁力远远强于万有引力。因此，用万有引力去解释微观领域毫无意义。于是，爱因斯坦转向宏观世界，认为广义相对论更适合研究宇宙中的大尺度结构。

均匀的宇宙：爱因斯坦的静态宇宙设想

观察宇宙，爱因斯坦发现各个方向的星系分布均匀，看上去宇宙无边无际，于是他提出了“宇宙学原理”：宇宙中的物质是均匀分布的，并且各个方向都差不多。爱因斯坦认为，过去的宇宙与现在无异，是一个不随时间变化的“静态宇宙”。

为了解出一个满足广义相对论的静态宇宙模型，爱因斯坦尝试解决他的方程。然而方程复杂到难以求解，特别是涉及初始条件和边界问题。为了避免边界问题，爱因斯坦设想宇宙是一个“有限无边”的空间——类似一个三维的“超球面”，但并不存在真正的边界，就像二维的甲虫在篮球表面爬行那样，永远不会遇到“边”。

在数学上，要让静态宇宙模型成立，需要平衡引力的吸引和一种“排斥力”，否则宇宙会在引力作用下塌缩。爱因斯坦在方程中加入了一个“宇宙项”，引入了一种排斥力，使得宇宙可以维持静态的“稳定状态”。这样一来，他成功构建了一个有限无边、静态的宇宙模型，这让爱因斯坦感到无比自豪。

转折点：弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙

就在爱因斯坦完成他的静态宇宙模型时，俄国数学家弗里德曼发现了一个惊人的结果。他解出了一种“膨胀宇宙”模型——在这种宇宙中，星系间的距离会随时间扩大或缩小，宇宙不是静态的，而是处于不断的动态变化中。

弗里德曼将论文投稿，审稿人正是爱因斯坦本人。爱因斯坦拒绝了该论文，认为弗里德曼犯了错误。直到后来，比利时神父勒梅特重新推导了一个类似的膨胀宇宙模型，大家才意识到爱因斯坦的静态宇宙或许并非唯一的解。

重新认识宇宙：爱因斯坦的“最大错误”

当科学家们验证了膨胀宇宙模型的正确性，爱因斯坦终于意识到自己的静态宇宙项可能是一个错误。他称这个宇宙项是“他一生中最大的错误”。这次科学纠正带来的影响深远：后来，天文学家哈勃观测到星系红移，证明宇宙确实在膨胀，弗里德曼和勒梅特的膨胀模型成为主流，静态宇宙模型从此被取代。

科学的进步总是伴随着修正与意外。爱因斯坦的广义相对论不仅改变了人类对引力的认识，也让我们看到了宇宙的宏大动态本质。虽然他认为宇宙项是“最大的错误”，但这段探索也让我们明白，科学发现往往在错误中不断前进。

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作者：《赵峥教授解读物理世界》今朝文化 科普创作团队

审核：周晓亮 北京交通大学物理学实验室高级工程师