互动科普

宇宙常数——这是爱因斯坦发明的概念之一，代表真空本身固有的某种奇异能量形式——虽然长期受到嘲笑，但却是宇宙膨胀速度变化的两种互相竞争的理论之一。

小说家兼社会批评家George Orwell在1946年写道，“需要持之以恒的努力才能看清鼻尖前的东西”用这句话来形容现代宇宙学的情况是再贴切不过了宇宙就在我们的周围一一我们则是宇宙的一部分一一但科学家们必须放眼观察宇宙的一半那样远的地方才能认识那些最终导致人类在地球上出现的过程。虽然研究人员认为自然界的根本原则是很简单的．但揭矛这些原则却是另外一回事了：来自天空的线索可能相当复杂微妙。对于那些正在为几亿光年远的爆炸恒星的最新观测结果大伤脑筋的宇宙学家来说，Orwell的说法尤其适用与大多数预期相反，宇宙学家们发现，宇宙的膨胀可能是不在放慢，而是在加快。

最晚从1929年起，天文学家们就知道可见宇宙正在膨胀。那一年Edwin Hubble(哈勃)证明了遥远星系正在互相远离，就好象整个宇宙的尺度正在均匀地变大一样，这些向外的运动受到星系团及它们所包含的全部行星、恒星气体及尘埃的共同的力作用抵消，即使是微小的力(比如纸夹子的夹持力)也会使宇宙的膨胀加快；现在极微小的延缓十年，理论与观测结果相吻合表明，宇宙中存在着足够多的纸夹子和其它物质，可使宇宙的膨胀几乎停下来但不会完全停下来。

用阿尔伯特·爱因斯坦鼓励宇宙学家们采用的几何术语来说，宇宙似乎是”平坦”的。平坦的宇宙介于另外两种可能的字面几何性质之间，即所谓“开放”和”封闭”的宇宙在我们这个宇宙中，物质的确对大爆炸引起的向外推力产生抵抗。此时“开放”的宇宙意味着在这场斗争中膨胀占了上风。宇宙将永远持续膨胀下去。然而，如果宇宙是闭合的，那么重力就将占上风，宇宙最终将再次坍缩，以猛烈的“大收缩”而告终。闭合的与平坦的宇宙这三种情形，类似于发射一枚火箭时使其速度快于慢于或恰好等于地球的逸出速度，也就是火箭克服地球引力作用所需的速度。

标准暴胀理论最重要的预测之一就是．我们现在所在的宇宙是一个平坦的宇宙，也就是斗争双方的力量对比完全均衡的宇宙。(暴胀理论假设宇宙极早期曾发生过快速膨胀，提出这一理论是为了解决大爆炸模型的常规表述中存在的若干难题)虽然宇宙的可见部分显然水足以使它成为平坦宇宙．但天体动力学研究揭示，实勋存在的物质远远多于眼睛看得到的物质星系和星系组合中的大多数物质必定是望远镜看不见的十多年前．我用了“精质”这一术语来描述这种所谓“暗物质”，该术语得自亚里士多德，后者用它作为“以太”——一种据认为弥漫整个空间的看不见的物质——的名称。【参看本刊1987年4月号“宇宙中的暗物质”一文】

然而，现在有大量的证据表明，连这些看不见的物质都不足以产生一个平坦的宇宙或许宇宙不是平坦的，而是开放的，在这种情况下科学家们必须修改或者放弃暴胀理论（参看本期Martin A Bucnr和David N．Spergel所著“低密度宇宙的暴胀”一文），或许宇宙也可能真是平坦的。如果是这种情况，那么它的主要成分就不可能是可见物质暗物质或辐射此时宇宙的主要组成部分必定是一种存在于真空(包括就在我们鼻尖前的真空)中的更加渺不可及的能量形式。

命中注定的吸引

关于此种能量形式的概念经历过一段漫长曲折的历史。此概念晟初是在爱因斯坦完成他的广义相对论时提出来的，这是在Hubble令人信服地证明宇宙在不断膨胀)多年前的事广义相对论把空间，时间和物质统一起来，从们获得了不仅是对宇宙中的天体的动力学，而且是对宇宙本身的动力学的科学认识只有一个问题：与物质感受到的其它基本力不同，重力毫无例外全部属于吸引力——它只把物质拉拢而不能将其推开物质的这种持续不断的相互吸引最终将使宇宙坍缩。而爱因斯坦认为宇宙是静态的、稳定的、因此他在自己的方程中加入了额外的一项，称为“宇宙项”。此项产生了一种贯穿整个空间的新的长程力，使宇宙得以保持稳定。如果宇宙项的值为正，它就代表了一种斥力，即一种使宇宙能够抵抗住自己的重量而支撑下去的反重力。

唉，不出5年爱因斯坦就抛弃了这一牵强附会的设想，并说它无异是他犯的最大错误。“宇宙项”带来的稳定性被证明是虚幻的：而且，更重要的是，证明宇宙在不断膨胀的证据已经开始不断增多早在1923年，爱因斯坦就写信给数学家Herman Weyl说：“如果不存在准静态的世界，那么就该扔掉宇宙项!”就象前的以太一样，宇宙项看来也要被扔进历史的垃圾箱里去了。

物理学家们很高摆脱这个强加进来的宇宙项。在广义相对论中，重力(无论是吸引力还是排斥力)的来源是能量物质只不过是能量的一种形式但是爱困斯坦的宇宙项则截然不同，与宇宙项相关的能量并不取决于位置或时间，因此它才得了”宇宙常数”这一名称即使完全不存在物质或辐射，该常数所产生的力依然发挥作用因此，它必定起源于存在于真空中的一种奇异的能量形式，宇宙常数同以太一样，使整个空间充满了一种几乎是形而上学的奇异东西，随着宇宙常数的寿终正寝，自然界又恢复了理性。

是这样吗？本世纪三十生代，宇宙常数的幽灵又在另一个完全独立的场合中，把量子力学法则与爱因斯坦的狭义相对论统一起来的研究中——卷土重来。物理学家Paul Dirac以及随后的Richard Feynman，Julian S. Schwinger和朝永振一郎等证明了真空比以前任何人想象的都复杂结果证明，基本粒子可以自发地从虚无中产生并再度消失，只要它们存在的时间短得无法对它们进行直接的测量（参看本刊1998年3月号上Philip Yam所著“利用零点能”一文）。这种所谓虚拟粒子”看起来似乎同针头上的天使一样牵强附会。但它们是有区别的。看不见的粒子产生能够测量出的效应，侧如原子能级的改变以及邻近金属板之间的力虚拟粒子的理论与观测结果符合得很好，直到小数点后面第9位都相同(相反，天使通常不会对原子或金属板产生任何可察觉出来的作用)不管你是否喜欢，空间毕竟不是空的。

虚拟现实

如果虚拟粒子能够改变原子的性质，那它们是否可能也影响宇宙的膨胀呢？1967年，俄国天体物理学家Yakov B ZeIdovieh证明，虚拟粒子能量的表现应当同与宇宙常数相关的能量的表现完全相同。但是这里存在一个严重的问题。量子理论预言虚拟粒子将分布在整个能量谱上，占据所有的可能的波长当物理学们把所有这些效应都考虑进来后，得出的整个能量值为无穷太即使物理学家忽略了小于一定波长的量子效应一一据推测在此波长上人们尚未充分了解的量子引力效应使情况有所变化一一计算出的真空能量仍然比宇宙中全部物质所含有的能量大120个数量级。

这样一种巨大的宇宙常数将会产生什么样的作用呢借用Orwell那句名言的暗示，你可很容易给宇宙常数的值定出一个观测极限把你的手伸出，盯着指尖如果宇宙常数的值大得正如量子理论明确地预言的那样，那么你的眼睛和你的手之间的空间将会膨胀得如此之快，以致来自你的手上的光线永远也不能到达你的眼睛要想看清你面前的东西，你需得不断地拿出九牛二虎之力，但却永远什么也看不见既然你能够看见东西，这一事实就说明真空的能量不可能很大现在我们不但能看到自己手臂的端部而且还能看到宇宙的遥远角落这一事实给宇宙常数定下了一个更加严格的上限：它应该比上面提到的估计值几乎小120个数量级理论与观测结果的这一差异是当代物理学面临的最恼人的定量难题【见本刊1998年9月号上Larry Abbot著“宇宙常数之谜”一文】。

最简单的结论是，某个至今尚未发现的物理定律使宇宙常数趋于零。然而，尽管理论家们可能巴不得宇宙常数莳快滚蛋，但各种各样的天文观测——包括宇宙的年龄物质的密度以及宇宙结构的本性等——全都独立地提示这个常数可能会赖着不走。

确定宇宙的年龄是当代宇宙学的老太难问题之一通过测量星系的速度，天文学家们可以计算出星系用了多长的时间才到达它们现在的位置(假定它们全都从同一地方出发)作为第一级近似，我们可忽略重力产生的加速度这样宇宙就将以恒定的速度膨胀，而它经历的时间就是星系之间的距离与测得的分离速度之比，也就是等于著名的哈勃常数的倒数——哈勃常数的值越大，宇宙膨胀进度就越快，而宇宙就越年轻。

哈勃对这个以他的名字命名的常数的最初估计值将近500公里／秒／百万秒差距,这样一个值意味着个相距l百万秒差距9约3百万光年)的星系平均说来将每秒500公里的速度分离。由这个值可以得出宇宙年龄约为20亿年，它与已知的地球年龄一一约40亿年一一完全矛盾。在把物质的引力考虑进去后，此项分析预测天体在较早的时候运动得更快。这样它们运动到其现在位置所花的时间比匀速运动时所花的时间更短这一改进使宇宙年龄的估计值减小三分之一，遗憾的是它使得上述矛盾更加尖锐了。

在过去七十年间，天文学家改进了对宇宙膨胀速度的测定值，但是计算出的宇宙年龄和宇宙中的天体的年龄之间的矛盾始终存在。过去十年来，由于发射了哈勃太空望远镜并开发了新的观测方法，对哈勃常数的各种不同测量所得的结果终于开始趋向一致卡内基天文台的Wendy L. Freedman及其同事们最近推算出的哈勃常数值为73公里／秒／百万秒差距(此常数最可能的范围在65到81公里／秒／百万秒差距之间视实验误差而定)【参看本刊1993年第3期Wendy L Freedman所著“宇宙的膨胀速率和大小”一文。】根据这些结果，可以把平坦宇宙年龄的上限定为100亿年左右。

年龄危机

这一年龄够不够大呢？这要看天文学家们能够测定的最老天体的年龄有多大。银河系中最古老的恒星包括在所谓球状星囝这种致密星团中的恒星有的球状星团位于银河系的外缘，因此据认为它们的形成时间早于银河系的其它部分。根据对这些恒星核燃料燃烧速度的计算得出的年龄估计值，传统上在150到200亿年之间。这样的天体看来比宇宙还要老。

为了确定这一年龄矛盾究竟是宇宙学的问题还是恒星模拟的问题造成的1995年我和我的同事——包括当时在加拿大理论物理学研究所的Brian C. Chaboyer，耶鲁大学的Pierre Demarque以及凯斯西部保留地大学的Perter J. Kernan——重新评估了球状星团的年龄。我们模拟了3百万个其性质反映了现有的不确定因素范围的不同恒星的生命周期，然后对我们的模型恒星与球状星团中的恒星进行了比较。我们的结论是，最老的球状星团其年龄可能只有125亿年，但这一年龄仍然同一个平坦的以物质为主的宇宙的年龄相矛盾。

但是，两年前，欧洲空间局发射的Hippareos卫星一一它的任务是测量约l0万颗近邻恒星的距离——修正了到这些恒星的距离的值，并间接地修正了到球状星囝的距离的值，新的距离也关系到对它们的亮度的估计，因此我们不得不重做分析，因为亮度确定了恒星核燃料的消耗速率，从而也确定了它们的寿命现在看来，在观测差范围的极限上，球状星团的年龄可能短至100亿年，这一数值刚好与宇宙的年龄相吻合。

但这一勉强的吻合令人很不满意，因为它要求两组年龄估计值都接近其允许的误差范围的边缘，剩下来唯一还可以修改的就是我们所在的宇宙是一个平坦且以物质为主的宇宙、这样一种假设了如果物质的密度较低——意味着宇宙是一个减速值较小的开放宇宙——那么上述矛盾就能得到缓和。但即使如此，使字宙年龄增加到125亿年以上的唯一途径将是考虑一个宇宙常数占优势而不是物质占优势的宇宙，这样产生的推斥力将使哈勃膨胀随时间的推移而加速星系过去彼此分离的速度比现今要慢，因此它们要花更的时间才能达到其现今的间距，这样宇宙的年龄就更大。

现在的年龄估计值仅是参考性的。与此同时，观测宇宙学的其它支柱最近也发生了动摇。随着天文字学家对越来越大的宇宙区域进行巡天观测，他们统计宇宙组成成分的能力也日趋改进现在，宇宙物质总量不足以产生一个平坦宇宙的理由是令人信服的。

宇宙的普查首先是计算大爆炸合成的元素宇宙中的轻元素一一氢和氦及其较少见的同位素如氘等——是在早期宇宙中产生的，其相对量与当时存在的质子数和中子数有关(质子和中子是通常物质的组分)。因此，通过比较各种同位素的丰度，天文学家们能够推算出大爆炸所产生的通常物质的总量，(当然也可能存在着不是由质子和中子构成的其它物质。)

有关自观测工作在1996年向前迈出了一大步。那一年，圣迭戈加利福尼亚大学的David R. Tytler和Scott Burles及其同事们利用星系际氢云对类星体光线的吸收，测量了氘的原始丰度。由于这些氧云中从未有过恒星，它们的氘只能产生于大爆炸。Tytler和Burles的发现表明，通常物质的平均密度为一个平坦宇宙所需要的物质量的4％到7％。

天文学家也通过研究宇宙中靠重力束缚在一起的最大天体(即星系团)来探查物质的密度。这些由数百个星系聚集而成的星系团包括了几乎所有的可见物质星系团发光成分大多数都以发射x射线的炽热星系际气体的形式存在这些气体的温度——根据其x射线谱推算出来——与星系团的总质量有关：星系团质量越大，引力就越强，支撑气体抵抗力的压力就必须越大，从而温度就越高。1993年，现在在德国加尔必马克斯·普朗克天体物理研究所的Simon M. White及其同事们整理了关于7个不同的星系团的资料后认为，发光物质仅占这些星系团的总质量的l0％到20％，结合对氘的测量，这些结果意味着，成团物质——包括质子和中于以及更奇异的粒子(如某些暗物质候选粒子)——的总密度至多为宇宙变平坦所需要的总密度的60％。

第三类观察也与物质在最大尺度上的分布有关，其结果支持了认为宇宙物质太少因而不足以使宇宙平坦的观点：过去二十年中宇宙学的其它任何一个领域的进展可能都比不上对宇宙结构的起源和性质的认识这一领域的进展。天文学家们早就认为，星系是从早期宇宙内略微集中的物质聚集而成的，但是当时没有人知道是什么原因造成这种波动。八十年代暴胀理论的发展提供了第一种可能的机制，即量子涨落被放大到宏观尺度，对暴胀之后宇宙结构的发展所作的数字模拟证明，如果暗物质不是由质子和中于构成，而是由其它某种类型的粒子构成(例如所谓的弱相互作用大质量粒子(WIMP)，那么宇宙微波背景辐射中的微小波动就可能发展成为今天观察到的结构。此外，如果总的物质密度较高的话，聚集的物质应当仍然在演化成星系团。在宇宙的较近期历史上富星系团的数目的增长相对较慢，说明物质的密度低于一个平坦宇宙所需的物质密度的50％。【见本刊1999年第3期J Patrick Hcnry，Ulrich G Briel和Hans Bohringcr所著“星系团的演化”一文。】

虚无至关重要关于宇宙拥有的物质太少以致不能使它成为平坦宇宙的这许许多多发现已经具有很强的说服力，足以克服反对这种可能性的顽固的理论偏见。有两种解释可能行得通：宇宙或者是开放的，或者是因为另外某种与通常物质无关的能量形式而变得平坦。为了区分这两种可能性，天文学家们一直在努力以高分辨率测量宇宙微波背景辐射现在初步的证据有利于平坦宇宙这种可能性与此同时，研究遥远超新星的研究人员已经提出了首批直接的(但也是初步的)证据，证明宇宙的膨胀正在加速，这是一个能说明问题的迹象，表明宇宙常数具有其它数据所提示的同一数值。【参看本期Craig』，Hogan，RobertP，Kirsbner和NicholasB，Suntzeff所著“用超新星测量时空”一文，】对微波背景的观测和对超新星的观测阐明了宇宙学的两个不同方面微波背景揭示了宇宙的几何性质，该性质取决于总的能量密度(不论是何种形式的能量)，而超新星则直接揭示了宇宙的膨胀速度，该速率取于物质密度与宇宙常数之差。(物质使膨胀放慢，而宇宙常数则可使膨胀加速)。

所有这些结果合起来提示，与宇宙常数相关的能量占了使宇宙平坦所需能量的40％到70％。尽管证据非常有力，但我们还是应当记住一句格言——如果一项天文学理论的预测与所有观测结果都相符、那么这一理论很可能是错的，即使仅仅是因为其中部分测量或部分预测可能存在错误但是，理论家们现在已在争先恐后地努力认识二十年前被认为是不可想象的事情：宇宙常数大于零但又远远小于现今的量子理论预测的数值。必须依靠某种非凡的细微修正的功夫把虚拟粒子的能量直到小数点后第123位都减掉，但却留下第124位不变。这样的精确性在自然界的其它任何地方从未看到过。

奥斯汀得克萨斯大学的Steven Weinberg及其同事们新近探索的另一条途径拿出了宇宙学家们的看家法宝，即人择原理。如果观测到的宇宙仅是无穷多个互不关联的宇宙中的一个——每个宇宙可能有略微不同的自然常量，正如暴胀理论的某些表述同新近出现的量子重力的概念相结合所提出的那样——那么物理学家们就可以指望通过探索在哪些宇宙中智慧生命可能进化出来而估计出宇宙常数的大小。Weinberg和其它一些研究人员已经获得了一个与现今宇宙常数的表观值相一致的结果。

然而，大多数理论家并不认为这些想法很有说服力、因为它们意味着宇宙常数取某一特定值没有任何道理可说一一它就是要取这个值，不需要什么理由。虽然这一论点有可能被证明是真的，但物理学家现在还没有穷尽其它各种认为宇宙常数受基本理论的约束而不是由历史上的偶然事件决定的可能性[参看本刊1982年第4期George Gale所著“人择原理”一文]。

另一个研究方向遵循Dirac建立起来的一项传统。Dirac认为，宇宙中有一个测量出的大数，即宇宙的年龄(或等价地说宇宙的大小)如果某些物理量随时间变化，它们现今可能自然地就是非常大或非常小的（参看本刊1993年9月号R，Corby Hovis与Holge Kragh所著“P. A. M. Dirac与物理学美”一文）。宇宙常数可能就是一个例子。事实上或许它并不是一个常数。毕竟，如果宇宙常数是固定的且非零，我们现在就生活在宇宙历史上第一个(也是唯一一个)物质密度——它随着宇宙的膨胀而不断减小一一变得与真空中存储的能量差不多的时期。为什么会有此种巧合？有几个研究小组已经转而设想，存在与宇宙常数相似但却随时间变化的某种形式的宇宙能量。

普林斯顿大学的P James E Peebles和Bharat V. Ratra10年前曾探索过这种看法。在关于超新星的新发现的推动下，其它一些研究小组现在又使这一设想东山再起。有的研究人员借助于弦理论的正在发展中的新概念。宾夕法尼亚大学的Robet Caldwell和Paul J. Steinhardt重新提出了”精质”这一术语来描述这种可变的能量。此术语当初曾是用来描述暗物质的，而现在，与上述玄而又玄的能量相比，暗物质看来几乎成了很普通的东西，由此可见这个理论难题难度之一斑。尽管我也喜欢此术语，但关于这种精质的所有理论概念看来都缺乏说服力每一概念都是临时凑合出来的。宇宙常数依然是一个老大难问题。

宇宙学家们将怎样才能确知他们是否对这个理论上桀骜不驯的宇宙毫无办法呢？今后几年中，对微波背景辐射的新的测量结果，对遥远超新星的继续分析以及对引力透镜的测量应当能搞定宇宙常数。有一件事已经确定无疑。八十年代的标准宇宙学理论——它认为宇宙是平坦的并且物质占优势一一已寿终正寝。宇宙或者是开放的，或者是充满了一种起源不明的新能量。虽然我相信证据有利于后者，但这两个方案都要求对物理学有一种彻底的新认识。换言之，“虚无”可能最令人感趣不过了。