1917年，在爱因斯坦的广义相对论发表一年后——距离他成为我们所知的国际名人还有两年——爱因斯坦选择攻克整个宇宙。对于其他人来说，这可能看起来是一项极其雄心勃勃的任务——但这是爱因斯坦。
爱因斯坦首先将他的引力场方程应用于他认为是整个宇宙的范围。场方程是他的广义相对论的数学精髓，它将牛顿引力理论扩展到速度接近光速、质量非常大的领域。但他的数学比他愿意相信的要好——他的方程告诉他，宇宙不能保持静态：它必须膨胀或收缩。爱因斯坦选择忽略他的数学所告诉他的一切。
爱因斯坦解决这个问题的故事——被贬低的“宇宙常数”（也称为lambda）——在科学史上广为人知。但事实证明，这个故事的结局与大家所想的不同：爱因斯坦晚年重新考虑了他那曾被贬低的拉姆达。而他的转变预示着拉姆达将在一个意想不到的新背景下被使用，这与现代物理学和宇宙学中的一个关键难题——暗能量——有着巨大的关联。
哈勃发现宇宙膨胀前的静态宇宙
爱因斯坦有一个看似非常充分的理由来忽略数学告诉他的东西。很少有人知道爱因斯坦不仅是一位卓越的理论家，还是一位精通观测和实验的物理学家。1914年，爱因斯坦正在“追求”一位年轻的苏格兰裔德国天文学家欧文·芬莱·弗劳恩德利希，希望通过在克里米亚（由于第一次世界大战爆发而告吹）发生的日全食期间恒星视位置的变化来寻找相对论的证据。爱因斯坦在1913-1914年写给弗劳恩德利希的信件揭示了爱因斯坦对天文学的兴趣日益浓厚，并且对该领域了解颇多，包括镜头和反射镜的技术细节。* 具有讽刺意味的是，他对天文学的深厚知识将导致爱因斯坦犯下他职业生涯中最大的错误……或者说，并非如此。
当时的天文学知识告诉爱因斯坦，宇宙的大小是不变的。人们怎么会这么认为呢？嗯，那可是二十世纪的第二个十年，望远镜仍然相对较小，威力也不大。它们足够强大，让天文学家发现了我们太阳系中所有已知行星，清晰地观测到天空中“朦胧斑点”如猎户座星云，并看到了几个星系，包括仙女座大星系——我们最近的邻居，距离230万光年。
但天文学家认为，他们所看到的这些模糊物体，不知何故都是我们银河系的一部分。(当时，伟大的爱丁顿甚至认为太阳是这个宇宙的中心！而关于最遥远恒星距离的观念，直到哈洛·沙普利于1916年在威尔逊山天文台对造父变星的研究中才开始出现。)由于天文学家无法探测到他们所知的整个宇宙中恒星或星云的膨胀，他们便假设宇宙是静态的。
宇宙常数的诞生
为了强制他的方程——这些方程理论上预测宇宙膨胀——保持静止，爱因斯坦发明了宇宙常数 λ。他用宇宙常数乘以方程中的度量张量 g，从而得到一个 λg 项，它调整了作用在时空上的度量张量。这个数学技巧确保了他的方程将产生一个被阻止膨胀或收缩的宇宙。
爱因斯坦不知道的是，就在他发表关于宇宙学方程的论文时，在地球另一端的加利福尼亚，新的100英寸胡克望远镜正在威尔逊山天文台安装到位。仅仅十多年后，埃德温·哈勃在维斯托·斯利弗和米尔顿·胡马森的协助下，将使用这台地球上最强大的望远镜研究遥远星系的红移，并从中得出明确结论，即我们的宇宙正在膨胀。
爱因斯坦听闻这些结果，并于1930年代初期前往加利福尼亚，与哈勃会面。在威尔逊山天文台，他看到了关于遥远星海的大量数据，这些数据促成了描述宇宙膨胀的“哈勃定律”，他对自己感到非常生气：如果他当初没有用那个宇宙常数发明迫使他的方程保持静态，他就能理论上预测哈勃的发现！那将为他赢得第二个诺贝尔奖（无论如何，他值得更多）——例如，就像欧洲核子研究组织科学家在2012年实验发现希格斯玻色子，最近为彼得·希格斯赢得了2013年诺贝尔奖一样。爱因斯坦在威尔逊山之行后，厌恶地惊呼：“如果不存在准静态世界，那就抛弃宇宙项！”从此再也没有考虑过宇宙常数。或者我们直到最近都这么认为。
暗能量：拉姆达归来
当像爱因斯坦这样的天才犯错时，这往往是一个“好错误”。(我感谢数学家志村五郎的这个表达。)它不会简单地消失——因为投入了太多的思想。所以，像凤凰一样，爱因斯坦的宇宙常数在1998年，出人意料地卷土重来。
那一年，两个天文学家小组发布了一个震惊科学界的声明。由索尔·珀尔马特领导、位于加利福尼亚的“超新星宇宙学项目”以及哈佛-史密森尼和澳大利亚的“高红移超新星搜索”小组公布了他们关于遥远星系红移的结果，得出了一个出人意料的结论：宇宙非但没有在大爆炸后减缓膨胀，反而正在加速膨胀！
结果表明，解释宇宙加速膨胀的最佳理论方法是复兴爱因斯坦抛弃的拉姆达。宇宙常数（其作用方式与最初设计时的阻止膨胀不同）是我们目前对弥漫空间并以加速速率向外推动宇宙的神秘“暗能量”的最佳解释。对于今天的大多数物理学家来说，拉姆达、宇宙常数和暗能量几乎是同义词。但不幸的是，爱因斯坦于1955年去世，未能亲眼目睹他“最大的错误”被逆转。
人们普遍认为他去世时从未重新考虑过宇宙常数。直到现在。
爱因斯坦失落的手稿
2013年末，爱尔兰物理学家科马克·奥莱弗塔格在耶路撒冷希伯来大学的爱因斯坦档案馆查阅文件时，发现了一份爱因斯坦的手稿，此前学者们从未仔细研究过。这篇名为《关于宇宙学问题》（“Zum kosmologischen Problem”）的论文，曾被错误归档为爱因斯坦于1931年在普鲁士科学院年鉴上发表的另一篇论文的草稿。但事实并非如此。似乎即使是爱因斯坦，旧观念也难以消亡：这篇论文是他顽固地试图复活他曾发誓永不再使用的宇宙常数。
在刚刚提交到电子物理学库ArXiv上的一篇论文中，O’Raifeartaigh和同事们指出，在1930年代早期（推测日期是1931年，但尚不确定），爱因斯坦仍在努力回归他1917年对一个带有宇宙常数的宇宙的分析。爱因斯坦写道（作者从德语翻译）：
“这种困难[引力定律与有限平均物质密度不一致]也出现在广义相对论中。然而，我已经表明，通过在场方程中引入所谓的“λ项”可以克服这个问题……我表明，这些方程可以由一个在时间上具有恒定半径的球形空间来满足，其中物质的密度 ρ 在空间和时间上都是恒定的。”
但他现在已经知道了哈勃关于宇宙膨胀的发现
“另一方面，Hubbel [原文如此**]极其重要的研究表明，河外星云具有以下两个性质：1）在观测精度范围内，它们在空间中均匀分布；2）它们具有与其距离成比例的多普勒效应。”（引自 O’Raifeartaigh 等，2014，第4页）
于是爱因斯坦提出修改他的模型，仍然使用宇宙常数，但现在这个常数负责在宇宙膨胀时产生新的物质（因为爱因斯坦认为，在一个膨胀的宇宙中，物质的总密度仍然必须保持恒定）
“接下来，我想提请大家注意方程（1）的一个解，它能够解释哈勃的事实，并且其中密度随时间保持不变。”以及：“如果考虑一个物理上有限的体积，物质粒子将不断从中流出。为了使密度保持不变，新的物质粒子必须不断地在体积中从空间中形成。”
爱因斯坦通过使用他旧有的宇宙常数λ来实现这一特性
“通过设置λ项，空间本身并非空无能量；因此，守恒定律得以保持；众所周知，其有效性由方程（1）保证。”（引自O’Raifeartaigh等人，2014年，第7页。）
所以爱因斯坦仍然在使用他被抛弃的拉姆达——尽管他发明它是为了一个不膨胀的宇宙。如果宇宙如哈勃所示那样膨胀，爱因斯坦似乎在说，那么我仍然需要我的拉姆达——现在是为了防止宇宙在体积膨胀时密度变小。
近二十年后，弗雷德·霍伊尔、赫尔曼·邦迪和汤米·戈尔德在1949年发表的论文中提出了一个类似的“稳态”宇宙。但这些宇宙模型并未得到现代理论的支持。事实上，现代宇宙学的一个信条是，当宇宙大量膨胀（经过难以想象的漫长时间后），它将变得非常稀疏，而不是稠密，只有零散的光子和电子独自穿梭于巨大的空旷之中，所有恒星届时都已消亡和消失。
宇宙观，旧与新
至于爱因斯坦为何如此执着于保留他已废弃的拉姆达，这个常数代表了空虚空间的能量——一个强大的概念——爱因斯坦在这篇论文中想利用这种能量随着时间的推移创造新的粒子。
今天，我们将真空的相同能量视为宇宙膨胀加速的原因。爱因斯坦有先见之明地认识到，他的宇宙常数所释放的真空能量太重要了，不容其消亡。
爱因斯坦远不是唯一一个思考宇宙以及它是否一直存在，或者在过去某个时刻诞生并在未来某个时刻消亡的人。自文明曙光以来，人们就一直在思考这个问题。宇宙的起源和最终命运与它的整体几何形状——时空流形的实际形状——紧密相关。在闭合几何中，宇宙诞生了，并总有一天会坍缩。在开放几何中，它诞生了并会永远膨胀，在平坦（欧几里得）几何中也是如此。根据现代理论，并辅以对空间中微波背景辐射的卫星观测，时空几乎是完美的欧几里得几何，这意味着宇宙在大爆炸中诞生，并将永远膨胀，密度随时间减小。最终，物质可能衰变为几种基本粒子和光子，它们之间的距离将无限增长。
语境中的宇宙学
在1917年至1929年——哈勃及其同事发现宇宙膨胀，暗示宇宙可能有一个开端的那一年——爱因斯坦和大多数科学家都认为宇宙“一直存在”，没有开始也没有结束。但有趣的是，跨文化的创世神话却讲述了相反的故事。中国、印度、前哥伦布时期和非洲文化，以及《圣经》的《创世纪》，都描述了（显然是寓言式的）宇宙的明确开端——无论是《创世纪》的“六日创世”还是古印度文本《梨俱吠陀》的“宇宙之卵”。
这是一个有趣的例子，表明科学家（在一段时间内）完全错了，而原始的古代观察者对自然有着本质上正确的直觉。随着目前宇宙模型的爆炸式增长以及有时令人震惊的关于其起源和未来的“科学猜测”，一些评论家显然夸大了科学所做的一切。最近的一个例子是物理学家劳伦斯·M·克劳斯（Lawrence M. Krauss）的著作《无中生有论宇宙》，该书声称科学已经证明宇宙不知何故是从纯粹的虚无中产生的。***
一个世纪前，爱因斯坦强大的引力场方程指明了前进的方向。他对宇宙不可思议的直觉战胜了暂时的挫折，他数十年前的洞见如今处于现代物理学和宇宙学的前沿，帮助我们揭示了所有最大的奥秘：物质、引力、时间、空间以及推动这一切向外扩张的神秘暗能量的本质。
*我很幸运成为第一位在这些信件公开之前查阅它们的学者，在父亲的帮助下将它们从德语翻译过来，并发表了一些成果。
**有趣的是，爱因斯坦多次拼错埃德温·哈勃的名字（“Hubbel”）。他那时还没见过哈勃本人吗？我们不得而知。这个拼写错误确实暗示了哈勃的发现当时尚未如此牢固地确立，以至于他的名字会广为人知。
***我强烈反对这种方法，并在即将出版的书中详细阐述了科学对宇宙诞生和命运的了解。
