互动科普

赋予爱因斯坦宇宙常数以新的含义，也许可以引导我们超越广义相对论。

1917年，阿尔伯特·爱因斯坦正努力整合他的新理论（广义相对论）与当时人们对宇宙的有限认识，他面临着一个棘手的问题。与许多同时代人一样，爱因斯坦也深信宇宙是静态的（既不膨胀也不收缩），但这种理想状态与他的引力方程相矛盾。沮丧之余，爱因斯坦在他的方程中加入了一个临时的宇宙学项，用于平衡引力和获得静态解。

然而12年后，美国天文学家埃德温·哈勃发现宇宙远非静态，而遥远的星系相对我们在快速退行，退行速率正比于它们的距离。膨胀的宇宙并不需要一个宇宙学项来解释，因此爱因斯坦放弃了这个概念。旅美俄裔物理学家George Gamow在自传中称“当我和爱因斯坦讨论宇宙学问题时，他认为引入宇宙学项是他一生的最大错误。”

在过去的6年里，宇宙学项（现称宇宙常数）已经在21世纪物理中复苏并扮演着重要的角色。但是这次复苏的动机和爱因斯坦的原初想法实际上非常不同。新的模式起源于最近观测到的宇宙加速膨胀现象和量子力学（颇具讽刺的是，量子力学曾是为爱因斯坦所排斥的物理学分支）。现在，许多科学家希望宇宙学项成为在广义相对论之外更深层次理解时空和引力的钥匙，也许能够借此形成将引力和其他自然界基本作用力统一起来的量子理论。现在就提出最终解决也许为时尚早，但是它确实改变了我们对宇宙的认识。

宇宙常数的诞生

广义相对论是爱因斯坦按照他的有关引力和加速运动等价的关键性认识，经过长达10年的努力最终完成的。按照众所周知的爱因斯坦思想实验，在一个均匀引力场场强为g的静止升降机内的物理规律等价于一个在真空中以匀加速度g飞行的升降机内的物理规律。

爱因斯坦也强烈地受到了奥地利物理学家恩斯特·马赫的哲学观点的影响，马赫拒绝时空中存在绝对参考系的观点。在牛顿物理学体系中，惯性指的是在不施加外力情况下一个物体有着保持匀速运动的倾向。匀速运动的观点需要一个惯性（无加速）参考系。但是参考系没有加速度是对谁而言呢？牛顿假设存在绝对空间，这是一个用来定义所有局域惯性坐标系的静止参考系。虽然，马赫建议用宇宙中的物质分布定义惯性坐标系，很大程度上爱因斯坦的广义相对论使得这一观点具体化。

爱因斯坦的理论是第一个有希望给出整个宇宙自洽图景的引力概念。它不仅描述了物体如何在时空中运动，而且描述了时空自身如何按动力学演化。应用他的新理论尝试描述宇宙，爱因斯坦发现了一个有限的、静态的、支持马赫原理（例如，有限分布并接近虚空的物质似乎不满足马赫提出的物质对定义空间是必要的观点）的解。这3个偏见导致爱因斯坦引入宇宙学项来构建一个有限而无边界的静态解——他的宇宙有如一个气球的表面那样弯曲而自封闭[见48页图文]。现实情况下，宇宙学项本来不太可能在我们太阳系尺度上被观测到，但是它会在更大尺度上产生一个抵消远距离物体引力吸引的宇宙斥力。

然而，爱因斯坦对于宇宙学项的热情很快消退了。1917年，荷兰宇宙学家Willem de Sitter证明他可以制造一个没有物质但含有宇宙学项的时空解——恰好是非马赫的结论。在1922年，前苏联物理学家AlexanderF riedmann创立了一个膨胀和收缩的宇宙的模型而不需要宇宙学项。在1930年，英国天体物理学家Arthur Eddington指出爱因斯坦的宇宙并非是真正的静态：因为引力和宇宙学项是不稳定的平衡，小扰动将导致失控的收缩或膨胀。到了1931年，因哈勃坚实地确定了宇宙在膨胀，爱因斯坦正式抛弃了宇宙学项，称它“无论如何理论上都无法称心。”

哈勃的发现消除了为抵消引力而引入宇宙学项的需要；在一个膨胀的宇宙中，引力仅仅减缓膨胀。问题随之产生，如果引力足够强，最终会使宇宙停止膨胀并开始塌缩，还是宇宙将永久膨胀呢？在Friedmann的宇宙模型中，答案依赖于物质的平均密度：一个高密度宇宙将塌缩，与之相反，一个低密度宇宙将永远地膨胀。分界点是速率不断减小但永远膨胀下去的临界密度宇宙。因为，在爱因斯坦的理论中，宇宙的平均曲率依赖于平均密度，因此几何与密度相关联。高密度宇宙如气球的表面一样正向弯曲而成，低密度宇宙如马鞍状表面一样负向弯曲而成，临界密度宇宙则是3维平展的。因此，宇宙学家开始相信密度决定了宇宙的几何属性并将揭示宇宙的最终命运。

虚无的能量

接下来的60多年，宇宙学项从宇宙学中消除了（除了简短的再现之外，一个理论曾在1940年代后期提出将它作为稳态宇宙模型的一部分，但在1960年代被果断取消了）。但是，也许关于宇宙学项最令人惊讶的事情是，即使爱因斯坦当时没有因发展广义相对论而引起的混乱中引入宇宙学项，我们现在也意识到它的出场似乎是不可避免的。在它的现代版本中，宇宙学项不是源自最大尺度上支配自然的相对论，而是源自最小尺度物理学的量子力学。

新的宇宙学项概念与爱因斯坦引入的极为不同。他的原始场方程G_uv=8πG_uv将空间曲率G_uv与物质和能量分布T_uv联系起来，这里G是牛顿描述引力强度的常数。爱因斯坦将宇宙学项置于该方程的左边，暗示它是空间自身的属性[见下页图文]。但是，如果将宇宙学项移到右侧，它将呈现全新的意义，也就是今天所具有的样子。它表现为一种全新的能量密度形式，即使在宇宙膨胀时仍保持恒定，而且它的引力是排斥大于吸引的。

洛伦兹不变性、狭义相对论和广义相对论最基本的对称性，暗示仅仅真空具备这样的能量密度。这观点的介入，使宇宙学项似乎更为奇特。如果有人问真空能是什么，很多人会说是“空无一物”。毕竟，直觉就是如此。

量子力学可是不讲直觉的。在非常小的尺度上，量子效应变得重要，甚至真空也不是真正的空无一物，而是有虚粒子和反粒子对突然出现在真空中，运行很短的距离后在一个无法直接观测到的短暂时间尺度内消失。然而，它们的间接效应非常重要并能被观测到。例如，虚粒子会影响氢光谱.理论计算已经被实验测量所证实。

一旦我们接受了这个前提，我们应该准备预测虚粒子赋予真空一些非零能量的可能性。因此，量子力学使得对爱因斯坦宇宙学项的思考变得义不容辞而并非可有可无。不能因为理论上不称心”而不予考虑。然而问题是，所有的对真空能量的计算和估计导致了荒谬的超大值——比在可见宇宙中所有物质和辐射的总能量还要大55到12O个数量级。如果真空能量密度真的如此之高，宇宙中的所有物质将立刻分崩离析。

这个问题让理论学家有如芒刺在背一般难受了至少30年。在原理上，它早在1930年代当虚粒子效应的计算首次完成时就已经受到公认。但是，除了与引力相关的领域，在物理学的其他所有领域中，一个体系的绝对能量没有意义，而只有状态之间的能量差才是重要的（例如原子基态与激发态之间的能量差）。如果一个常数被加入所有的能量值当中去，它将不参与计算，容易导致被忽视。而且，在那时很少有物理学家严肃对待宇宙论，并担心量子理论在宇宙论中的应用。

但是广义相对论指出了所有充当引力来源的能量形式，甚至是虚无的能量。前苏联物理学家Yakov Borisovich Zel’dovich在1960年代末做出第一个真空能量密度估计时，就认识到了这个问题的重要性。从那时起，理论学家已经试图解决为什么他们的计算产生了如此荒谬的高值。他们推测，一些尚未发现的机制即使不能消除所有真空能，也必然消除了大量的真空能。事实上，他们建议有关能量密度的大多数是似而非的值应该是零——即使量子性虚无也应该重量为零。

只要理论学家相信在他们的想法背后存在一个消除机制，他们就能暂时将宇宙学项置之不理。尽管宇宙常数很有吸引力，但仍可以忽略它，然而自然界却对这一想法进行了干预。

宇宙学项杀了个回马枪

第一个权威性但有部分差错的证据来自于宇宙减速膨胀率的测量。我们回想一下，哈勃发现遥远星系的相对速度正比于它们距离我们所在星系的距离。从广义相对论的观点，这个关系源自空间自身的嘭胀，由于引力吸引的缘故，膨胀应陔随着时间减慢。并且，因为我们看见的是百万年之前遥远的星系，膨胀减速应该导致另外的线性哈勃关系的曲率——多数遥远的星系应法比哈勃定律预言的退行速度要快。可是，这个方法精确定出了非常遥远星系的距离和速度。

这个测量依赖于发现标准烛光——那些具有可知的固有光度的目标，其光度明亮到足以穿越宇宙而被发现。突破来自于1990年代Ia超新星的定标，该型超新星被认为是大约1.4倍太阳质量的白矮星热核爆炸的结果。美国劳伦斯伯克利国家实验室的Saul Perlmuttter领导的超新星字宙学计划和澳洲Mount Stromlo和Siding Spring天文台的Brian Schmidt领导与高z值超新星搜寻计划，开始用这种超新星测量宇宙的减速膨胀。在1998年初两个团队得出了令人吃惊的同样发现：在过去的200万年中，膨胀的速度加快而不是减慢。从那时起，宇宙加速膨胀的证据变得更为可靠，不仅显示出早期存在减速阶段[参见本刊2004年4月号Adam G. Riess和Michael S. Turner所著《从减速到加速》一文]。

然而，超新星数据并不是唯一指出存在某种新的能量形式趋势宇宙膨胀的证据。我们最好的宇宙图像来自于对宇宙微波背景（CMB）的观测，宇宙微波背景辐射式大爆炸的残余辐射，它展现了当宇宙的年龄大约在40万年时宇宙的重要特征。2000年，对于研究人员而言，测量全天微波背景辐射起伏所需的分辨角已经足够合适了，可以确定宇宙的几何形式是平坦的。这个发现被观测宇宙微波背景的威尔金森微波各向异性探测器和其他实验所证实。

一个空间平坦的几何结构要求宇宙的平均密度等于临界密度。但是许多有关所有物质形态的不同测量——包括冷暗物质，这是由一种不发光但施加引力的慢速运动的假定粒子构成的大海——显示出物质分布仅仅是临界密度的大约30%。因此，一个平坦的宇宙需要另外某种均匀分布的能量形式，在局域成团性中它们没有观测效应，然而却能提供了大约70%的临界密度。真空能或者相类似的能量可以恰好产生所期望的效应。

另外，第三条推理的线索指出宇宙加速膨胀是宇宙难题的缺失部分。20年来，暴胀加冷暗物质的模式是对宇宙结构的主导解释。暴胀理论指出，在极早期宇宙经历了剧烈的爆炸式膨胀，膨胀使得宇宙的几何结构变得均匀而平坦，并且将量子涨落从亚原子尺度放大到了宇宙尺度上。这导致了物质分布些微的不均匀性。这种不均匀性在宇宙微波背景辐射的变化中被发现，它形成了今天宇宙中可观测到的结构。总量超过普通物质的冷暗物质引力支配了这些结构的演化。

可是，到1990年代中期为止，这个模式受到了观测数据的严重挑战。对预测物质成团的程度和实际观测到的不相同。更为糟糕地是，预测的宇宙年龄明显地比最古老的恒星还要年轻。在1995年，我们两位笔者指出，如果真空能占据大约临界密度的2/3，则以上矛盾就会消失。（这个模型与宇宙学项密度是物质密度一半的爱因斯坦闭合宇宙模型有着很大的不同。）由于介入了真空能的曲折变化的历史，我们的建议多少有些挑战的意味。

而10年之后，所有的事情都变得协调了。除了解释当前宇宙膨胀和早期减速之外，起死回生的宇宙学项将宇宙年龄上推至几乎140亿年（令人欣慰地大于最古老恒星的年龄），并且加入的能量恰好使宇宙达到了临界密度。但是物理学家仍旧不知道这些能量是否确实来自于量子真空。发现宇宙加速膨胀的重要意义带来了量化真空能全新的紧迫任务。虚无的重量问题不再被放到一边等待将来解决。现在的困扰似乎比当物理学家试图创造一个消除真空能的理论时更为混乱，理论学者必须解释，为什么真空能不是零而是一个非常小的值，却在数十亿年前的宇宙中起着重要作用。

当然，没有什么比对这个意义丰富且重要的值的困惑更能激发科学家的斗志。正如爱因斯坦认识到狭义相对论和牛顿引力理论的不相容，而导致广义相对论的诞生，今天的物理学家相信爱因斯坦的理论并不完善，因为它始终不能与量子力学统一。但是宇宙学观测可能勾勒出引力和量子力学在最基本层次上的关系。加速坐标系和引力等价为爱因斯坦指明了方向；也许另外一种加速（宇宙加速）将指出今天的方向，并且理论学家已经描绘出如何推进的蓝图。

超世界

弦论（现今经常被称作M理论）因有可能成为将量子力学和相对论联姻的途径而被科学家看好。该理论中的基本观点之一被称作超对称或者SUSY。SUSY是半整数自旋粒子（费米子，如夸克和轻子）和整数自旋粒子（玻色子，如光子、胶子和其他相互作用传播子）之间的对称性。在超对称充分显示的世界中，一个粒子和它的超对称伙伴具有同样的质量，例如，超对称电子（叫做超电子）和电子一样的轻，等等。而且，在这个超世界中，量子性虚无没有重量而真空具有零能量。

然而，在真实世界中，我们知道没有和电子一样轻的超电子存在，因为物理学家已经在粒子加速器中探测过它。（理论学家推测电子的超对称伙伴粒子比电子重百万倍并且如果没有更强大的加速器协助将不能发现它。）因此超对称必然是破缺的对称，这预示着量子虚无可能有某种重量。

物理学家已经建立了许多超对称破缺模型，它们产生的真空能密度比以前的荒谬估计要小很多个数量级。但是即使这个理论化的密度也远远高于宇宙观测所得到的密度。然而，最近研究人员已经认识到M理论可能有无穷多组不同的解。虽然几乎所有的这些可能解都导致超高真空能，但是也许一些解能够产生和宇宙学家观测得到的一样低的真空能[参见本期Raphael Bousso和Joseph Polchinski所著《弦理论的风光》一文]。

弦论的另外一个特点是需要额外的自由度。当前理论将6到7个观察不到的空间维度加入平常的3维中去。这一构建提出了解释宇宙加速膨胀的其他方法。美国纽约大学的Georgi Dvali及其合作者已经指出，额外自由度的效应可以由能够导致宇宙加速膨胀的爱因斯坦场方程中的附加项显现出来[参见本刊2004年4月号Georgi Dvali所著《冲出黑暗》一文]。这违背了长久以来的期望：10年来一直假定广义相对论及其后续理论的区别是在小尺度上而不是宇宙尺度上。Dvail的设想具有明智的一面——如果他是正确的，那么宇宙观念的最先预兆将发生在最大尺度而不是最小尺度上。

宇宙加速膨胀也有可能无法解决神秘的宇宙学项过小的问题，或者无法拓展爱困斯坦的理论以纳入量子力学。广义相对论规定一个物体的引力与它的能量密度加三倍内压成正比。任何大范围负压力的能量形式都是如橡皮膜一样向内紧绷而不是如气团一样向外膨胀，因此将存在万有斥力。正因为如此，宇宙加速膨胀可能简单地显示存在尚未被量子力学或弦论所预言的称为暗能量的不寻常能量模式。

几何Vs密度

无论如何，宇宙加速膨胀的发现永远改变了我们对未来的看法：密度不再依赖于几何。一旦我们允许真空能或者类似的东西存在，任何事情都可能发生。一个被正的真空能所主导的平坦宇宙将以曾经膨胀的速率永远膨胀下去[见48页图]，然而负的真空能主导的宇宙将会发生塌缩。如果暗能量不是真空能，那么宇宙膨胀引起的效果是未知的。暗能量密度有可能并不类似于宇宙常数，而是随时间增加或者减少。如果密度增加，宇宙加速膨胀将不断加快，从而在有限的时间之后依次撕裂星系、太阳系、行星和原子。但是如果密度下降，加速膨胀能够停止而且如果密度变为负值，字宙将会塌缩我。们两位笔者已经证明无须知道引起当前膨胀的能量的具体来源，没有一组字宙观测能限制宇宙的最终命运。

为了解决这个疑难，我们需要一个基础理论，它能够允许我们预言和区分每种可能的真空能量分布的引力效应。换句话说，有关虚无的物理学将决定我们宇宙的命运。发现解决问题的方案可能需要对宇宙膨胀和字宙内部结构进行新的测量，这将为理论学家提供方向。幸运的是，许多实验正在展开，包括一个专门观测远距离超新星的空间望远镜——在地面和外太空通过大尺度结构演化效应来探测暗能量的新式望远镜。

我们关于自然界的知识通常是在具有创造性的混乱环境中发展起来的。对未知的困惑导致了爱因斯坦认为宇宙学项可以作为构造静态的马赫宇宙的的解。今天，有关宇宙加速膨胀的混乱正在驱使物理学家探索每一条可能导致加速膨胀的能量性质的路径。所希望的好消息是，虽然许多想法走入了死胡同，但是这个深刻而复杂的谜题的破解最终帮助我们统一引力和自然界中其他相互作用力，这正是爱因斯坦最大的心愿。

张旭/译

曾少立/校