第12章 暗能量和爱因斯坦的宇宙常数

宇宙学中，暗能量是一种猜想，指一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论，这种负压强在长距离类似于一种反引力。这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。天文学家埃德温·哈勃发现宇宙中的其它星系似乎都在向着距离人们生活的银河系越来越远的方向移动。而且它们移动的越远，运行的速度就越快。但是，天体物理学家此前曾经指出，引力会使得宇宙的膨胀速度逐渐减缓。之后在1998年，两个研究小组通过观察发现，Ia型超新星—种罕见的恒星爆炸能够释放出数量巨大的，持久的光——颠覆了天体物理学家提出的理论。

通过仔细测量来自这些活动的光的红移现象（光波向着可见光谱中红色的一端变化）——类似于当火车汽笛声离你越来越远时，声调也会越来越低的“多普勒效应”。“真空”（有科学家认为“真空”不空）空间本身似乎也在作为一种能够将物质分离开来的力量起作用。

在物理宇宙学中，暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀速度的难以察觉的能量形式。暗能量假说是当今对宇宙加速膨胀的观测结果的解释中最为流行的一种。在宇宙标准模型中，暗能量占据宇宙约68.3%的质能。

研究表明我们的宇宙正在膨胀，而膨胀的速率不是恒定或减慢，而是在加速。这项研究在2011年被授予了诺贝尔物理学奖。学者们认为暗能量的密度可能是一种宇宙常量，而真空则提供了宇宙膨胀的动力。

通过研究许多不同的资料，研究小组比较了宇宙的膨胀规律。他们认为暗能量吞噬暗物质可以作为宇宙加速膨胀的解释。而传统的标准模型对这一现象并不能给出合理完整的解析。

暗能量现有两种模型：宇宙学常数（即一种均匀充满空间的常能量密度）和标量场（即一个能量密度随时空变化的动力学场，如第五元素和模空间）。对宇宙有恒定影响的标量场常被包含在宇宙常数中。宇宙常数在物理上等价于真空能量。在空间上变化的标量场很难从宇宙常数中分离出来，因为变化太缓慢了。

暗能量与光会发生中和作用，作用域为同级暗能量的分布范围。当暗能量与光反应时，会对作用域的时间产生影响，绝对速度v0>c，此时作用域的能量E产生跃迁，根据E=mc²，作用域内的物质质量会有减少。由于宇宙空间不断发生的中和反应，作用域内的物质质量不断减小致使物质的引力减小，出现宇宙膨胀。

对宇宙膨胀的高精度测量可以使我们对膨胀速度随时间变化有更深入的理解。在广义相对论中，膨胀速度的变化受宇宙状态方程式的影响。

加入宇宙学常数后，宇宙学标准罗伯逊-沃尔克度规可以导出Λ-冷暗物质模型，后者因与观测结果的精确吻合而被称为宇宙“标准模型”。暗物质被认为是当今形式化宇宙循环模型的至关重要的一个因素。

爱因斯坦的宇宙常数和暗能量

关于暗能量概念的起源，还得追溯到科学巨匠爱因斯坦他在1917年由他在两年前提出的广义相对论导出的一组引力方程式，方程式的结果都预示着宇宙是在做永恒的运动，这个结果与爱因斯坦的宇宙是静止的观点相违背，为了使这个结果能预示宇宙是呈静止状态爱因斯坦又给方程式引入了一个项，这个项称之为的“宇宙常数”。

1997年12月，作为“大红移超新星搜索小组”的成员的哈佛大学天文学家罗伯特·基尔希纳根据超新星的变化显示，宇宙膨胀速度非但没有在自身重力下变慢反而在一种看不见的、无人能解释的、神秘力量的控制、推动下变快，人们只是猜测：所处的这个宇宙可能处于一种人类还不了解、还未认识到物质的固态、液态、气态、“场态”之后另一种物质状态的物质控制、作用之下，这种物质不同于普通物质的一切属性及其存在和作用机制，这种“物质”因其绝对不同于人们所熟知的普通物质态，故而科学家为了区分它们暂且将它称之为“暗物质”、将其具备的作用称之为“暗能量”，“暗物质”就成为当今天文学界、宇宙学界和物理学界等等科学界中最大的谜团之一。后来人们经过哈勃空间望远镜观测发现，事实上宇宙是在不断膨胀着的并且这一观测结果完全与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相符合，爱因斯坦得知“实际上的宇宙是在膨胀着的”这个消息后非常后悔，因此他认为：“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误！”现在看来，他的结论下得过早。此后那个“宇宙常数”便被人们所遗忘，后来的一次天文探测宇宙可能在加速膨胀，这就预示着宇宙中存在着某种“巨大的东西”，此后这个“宇宙常数”被赋予“暗能量”的含义。科学家对宇宙的组成部分有了新的认识，宇宙中普通物质和暗物质的比例高于此前假设，而暗能量这股被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量则比想象中少，占不到70%。但这依旧表明人们看到的宇宙、认识到的宇宙只占整个宇宙的4%的比例，而占96%的东西竟然是不为我们所知道的。

美国航天局在轨道中运行的威尔金森微波仪探测卫星收集到的材料也证明超新星在发生同样的变化。这些变化的含义的确令科学家忐忑不安，因为这将预示着爱因斯坦、霍金等理论家可能都错了，影响并决定整个宇宙的力量不是引力和重力等已知作用力，而是以“宇宙常量”形式存在的“暗能量”和“暗物质”。所以有人认为，暗能量在宇宙中更像是一种背景和一种“超导体”，它就像是空气相对于人类或者是大海相对于鱼儿一样，故尔在宇宙物理学上它的确表现得更像一个真空，因此也有人把“暗能量”称之为“真空能”。真空是不是就是“暗能量”？“暗能量”是不是就是“真空能”呢？如果真空真是“暗能量”那么就应该具备一切能量的基本属性和基本特征—力量。可见真空是否具备力的特征和力的属性也就成为“暗能量”成为真空的前提条件。

综上所述可以看出，所有矛盾的焦点都集中在真空是否具备力的属性这个问题上，如果真空一旦被证明具备力的属性，那么“真空力”就成为独立于万有引力、电磁力、强力和弱力之后在自然界中普遍存在着的第五种自然作用力即“第五种力”；那么真空就是物理学史上已经被抛弃的“以太”；而“以太”其实就是真空的某一种效应；那么真空也就是那个占整个宇宙96%以上的份额并控制着整个宇宙的神秘能量—“暗能量”，这一切的一切就因为真空有力而变为现实、变为可知的。故而真空是否具备力的属性也就成为本文的核心中的焦点。众所周知，物理学其本身就是一门以实验为基础的科学，从伽利略的比萨斜塔实验到迈克耳逊——莫雷实验，在高科技下的各种高能物理粒子实验无不说明实验方法在物理学中占据着非常重要的地位并发挥着重要的作用。每一个新理论的背后都必须有着坚实的实验作为后盾，每一个新实验现象的出现也必将引发一套全新的理论体系，所以实验是寻找并证实真空力的属性的主要方法和途径。

另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果为n=0.99±0.04。