但事實上，它比愛因斯坦當時的認知還要複雜得多。在量子理論預測的數值與(yu) 宇宙觀測得到的數值之間，是無法忽視的120個(ge) 量級的巨大鴻溝……

撰文 | 克拉拉·莫斯科維茨（Clara Moskowitz）

翻譯 | 許峰瑋

每一處看似空無一物的地方，實際上都存在一些東(dong) 西。如果放大宇宙中一片空蕩蕩的區域，你會(hui) 發現一片動態的景象——粒子快速地產(chan) 生又幾乎立刻消失。掌管著微觀世界的量子力學理論並不允許所謂“虛無”的存在。嚴(yan) 格意義(yi) 上，在任何給定的時空中，能量永遠都不會(hui) 等於(yu) 零，總會(hui) 存在一些“回旋的餘(yu) 地”。

正是因為(wei) 有這樣的“餘(yu) 地”，虛粒子才得以產(chan) 生——具體(ti) 來說，一對正負粒子在這個(ge) 過程中產(chan) 生了；但來也匆匆，去也匆匆，它們(men) 又會(hui) 很快湮滅消失。雖然這聽起來很奇怪，但是實驗的確觀測到了由虛粒子產(chan) 生的真實物理效應。

虛粒子快速產(chan) 生又湮滅，實際上就是充斥於(yu) 整個(ge) 宇宙空間的“真空能”的漲落。這種活動是暗能量最可能的解釋，而後者是宇宙既非靜態，又非以固定速度膨脹，而是每時每刻都在加速膨脹的原因。

真空能的問題在於(yu) 它不夠大。當科學家首次想到用這個(ge) 概念來解釋宇宙加速膨脹時，他們(men) 通過量子力學計算了真空能的大小，發現它應該很大。這種能量應該會(hui) 極快地推動宇宙膨脹，致使物質密度快速下降，恒星與(yu) 星係都無法形成。很明顯，我們(men) 的宇宙並不是這樣，因此真空能必須非常小——大約需要比計算結果小120個(ge) 量級。這樣巨大的差異讓很多科學家調侃真空能是“整個(ge) 物理曆史上最糟糕的理論預言”。

廣義(yi) 相對論方程中有一個(ge) 常數項，叫做“宇宙學常數”，物理學家認為(wei) ，這個(ge) 常數表示的其實就是真空能。理論預言的真空能與(yu) 測量值之間巨大的差異，通常被稱為(wei) 宇宙學常數疑難。

這個(ge) 謎題吸引了一批頂尖物理學家的注意，他們(men) 為(wei) 此提出了許多新理論。去年，紐約大學的物理學家格雷戈裏·加巴達澤（Gregory Gabadadze）在布朗大學物理學係做了一小時關(guan) 於(yu) 真空能問題的報告。該報告總結了目前為(wei) 止理論學家提出的所有解決(jue) 方案。報告結束，一位觀眾(zhong) 問格雷戈裏在這些想法他最傾(qing) 向哪個(ge) ，“一個(ge) 也不，”他回答道。他認為(wei) 這些想法都太“激進”了，或多或少都需要“放棄一些不可動搖的原理”。

但是一些物理家認為(wei) ，這些新的理論工作實際上為(wei) 解決(jue) 當前的真空能“窘境”注入了新的活力。目前，檢測引力的高精度實驗以及引力波天文學的進步，為(wei) 檢驗那些理論想法提供了希望。我們(men) 可以用實驗測試理論模型的正確性，或者至少排除這些模型的可能性。

問題的產(chan) 生

宇宙學常數有著一段一波三折的曆史。愛因斯坦在1917首次提出了宇宙學常數，為(wei) 他的廣義(yi) 相對論場方程打上了一個(ge) 數學補丁，確保能夠給出一個(ge) 靜態宇宙。這是由於(yu) 當時他和其他科學家都認為(wei) 宇宙應該是靜止不動的。但是，1929年天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）測量了許多星係的速度，發現這些星係紛紛離我們(men) 遠去。更有意思的是，星係距離我們(men) 越遠，退行速度就越快。哈勃的測量結果表明，整個(ge) 空間每一處都在膨脹。麵對這樣一個(ge) 不容置疑的發現，愛因斯坦在幾年後終於(yu) 決(jue) 定將這個(ge) 常數去掉。根據物理學家喬(qiao) 治·蓋莫（George Gamow）的說法，愛因斯坦認為(wei) 加入宇宙學常數是他物理學生涯裏“最大的錯誤”。

在很長一段時間裏，宇宙學常數似乎已經被曆史遺棄，但它卻在悄悄準備著卷土重來。上世紀90年代末期，兩(liang) 個(ge) 互相競爭(zheng) 的天文學團隊通過對超新星的觀測發現，宇宙壓根就沒有減速膨脹，反而是一直在加速膨脹。這個(ge) 令人震驚的發現為(wei) 三位團隊領導者贏得了諾貝爾物理學獎，並且促使宇宙學家邁克爾·特納（Michael Turner）為(wei) 這種導致宇宙加速的神秘的力發明了一個(ge) 專(zhuan) 有名詞“暗能量”。很快，物理學家就提出暗能量的來源可能正是宇宙學常數，換句話說，也就是真空能。“或許在愛因斯坦的錯誤中，恰恰隱含著凡人再怎麽(me) 也無法企及的洞悉力。”索爾·珀爾馬特（Saul Perlmutter,宇宙加速膨脹的發現者之一）這樣寫(xie) 道。

盡管宇宙學常數的加入再次讓愛因斯坦場方程維持了平衡，給出了一個(ge) 與(yu) 觀測相符的加速宇宙解，但這個(ge) 宇宙學常數的值卻並不合理。事實上，它的引入讓問題變得更嚴(yan) 峻了。此前，在宇宙學常數坐冷板凳那段時間裏，物理學家將廣義(yi) 相對論中的這個(ge) 常數項和量子力學中的真空能聯係了起來。但是正如之前所說，真空能應該比這大得多。

第一個(ge) 注意到不對勁的人是物理學家沃爾夫岡(gang) ·泡利（Wolfgang Pauli）。他在20世紀20年代就發現這種能量太大了，以至於(yu) 宇宙膨脹過快，來自於(yu) 鄰近天體(ti) 的光都無法趕上膨脹的速度。泡利發現，整個(ge) 可觀測宇宙大小“甚至無法達到月球”。第一位正式計算宇宙學常數值的人是雅科夫·澤爾多維奇（Yakov Zeldovich）。基於(yu) 量子理論對真空能的預言，他在1967年發現真空能會(hui) 使宇宙學常數非常巨大。但是當時，科學家普遍認為(wei) 宇宙以穩定或者減小的速度膨脹，因此大部分人相信宇宙學常數應該是零。由此，宇宙學常數問題誕生了。

30年後，當科學家逐漸認識到宇宙的膨脹是加速的，該問題並沒有得到解決(jue) 。我們(men) 所觀測到的宇宙膨脹加速度的大小，雖然在當時的確令人震驚，但與(yu) 量子理論的預言想比還是小巫見大巫。在某種程度上來說，重新引入宇宙學常數項反而讓這個(ge) 困擾人們(men) 的問題更加糟糕了。之前我們(men) 隻需要思考為(wei) 什麽(me) 這個(ge) 常數應該精確地等於(yu) 零，但現在我們(men) 需要思考的是，這個(ge) 常數為(wei) 什麽(me) 僅(jin) 僅(jin) 比零大一點，這更加令人頭疼。

豐(feng) 富的理論

雖然有大量的物理學家懷著熱枕之心，試圖解決(jue) 這個(ge) 棘手的問題，但令人失落的是，目前的進展非常緩慢。自從(cong) 澤爾多維奇指出這個(ge) 問題已經過去50多年了，可迄今為(wei) 止，還沒有一個(ge) 站得住腳的、被人們(men) 接受的解釋。大多數用於(yu) 解決(jue) 宇宙學常數問題的方案可以歸為(wei) 3類：修改廣義(yi) 相對論的場方程來描述宇宙膨脹，修正量子場論方程給出合理的真空能預言，以及考慮一些全新的東(dong) 西。

宇宙學常數問題是物理學中一個(ge) 重要的未解之謎：作為(wei) 愛因斯坦廣義(yi) 相對論場方程中的一部分，該常數的值似乎遠遠小於(yu) 理論的預言。這個(ge) 謎團的核心存在三個(ge) 互相纏繞的概念——真空能（無物質的空間自帶的能量）、暗能量（導致宇宙加速膨脹的原因）和宇宙學常數本身。

修改廣義(yi) 相對論可以改變宇宙學常數所扮演的數學角色，或者完全把它移除。比如，得克薩斯大學奧斯汀分校的理論物理學家凱瑟琳·弗裏茲(zi) （Katherine Freese）和同事就試圖通過改變廣義(yi) 相對論的計算，來消除宇宙加速膨脹對宇宙學常數的依賴。弗裏茲(zi) 說：“物質和光子成分可能已經足夠了，不需要加入任何在場方程中的扮演其他角色的新成分。”在她的模型中，除了我們(men) 可觀測的四維時空之外，還要考慮額外的維度，而這些額外的維度可能隱藏在我們(men) 的視野之外。

如果廣義(yi) 相對論並不是問題所在，那麽(me) 或許量子力學才是。一些理論物理學家認為(wei) ，計算真空能的量子場論方法或許有問題。德國萊比錫大學的斯特凡·霍蘭(lan) 茲(zi) （Stefan Hollands）和同事對將正則量子方程用於(yu) 彎曲時空表示質疑，他們(men) 認為(wei) 該方程僅(jin) 適用於(yu) 平坦空間內(nei) 。如果物理學家能夠修正在彎曲時空下的正則量子方程，就能解決(jue) 宇宙學常數的問題。

不過，解決(jue) 該問題需要的可能不僅(jin) 僅(jin) 是在數學上巧妙地修改傳(chuan) 統方程。近期，加利福尼亞(ya) 大學戴維斯分校的史蒂夫·卡利普（Steve Carlip）提出了一個(ge) 非主流的觀點，他認為(wei) 時空從(cong) 根本上說是由“泡沫”構成的。在他的物理圖景中，空間曲率總是在遠遠小於(yu) 我們(men) 探測極限的尺度上不斷漲落。所有這些極小尺度的漲落會(hui) 構成複雜的拓撲結構，很大程度上抹除了大部分由宇宙學常數帶來的影響，使其在局部尺度上難以表現出來。

另外一個(ge) 非常著名卻讓人討厭的宇宙學常數解決(jue) 方案被稱為(wei) 人擇原理（anthropic principle）。這個(ge) 方案認為(wei) ，我們(men) 宇宙中的宇宙學常數的確擁有一個(ge) 可能性極低的值，並將其解釋為(wei) 我們(men) 生活在一個(ge) 多元宇宙中。如果我們(men) 的宇宙隻是宇宙海洋中的一個(ge) 泡泡，而海洋中每一個(ge) 泡泡裏的物理規律和常數都存在差異，那就肯定存在一個(ge) 擁有這樣宇宙學常數的宇宙。更重要的是，大多數的泡泡並不能像我們(men) 的宇宙一樣，允許星係、恒星、星係或是生命存在，因此我們(men) 發現自己身處極小概率的離群值裏，也是預料之中的事情了。弦論學家試圖通過這套邏輯從(cong) 根本上解決(jue) 宇宙學常數問題，不過，其他的物理學家則認為(wei) 這是站不住腳的理念。

常數還是精質？

宇宙學常數仍舊是對導致宇宙加速膨脹的暗能量最好的解釋。但是如果暗能量其實與(yu) 宇宙學常數，或者說真空能一點關(guan) 係都沒有呢？在這種情況下，暗能量可能正是精質（quintessence，又譯作第五元素）的表現形式。

精質這個(ge) 概念的提出是為(wei) 了解釋宇宙的加速膨脹。精質是某種形式的能量，它遍布整個(ge) 空間，具有負壓強，會(hui) 隨著時間變化。精質理論的一個(ge) 分支是幻能量（phantom energy），即一種假想中的能量，其密度隨著宇宙年齡增長而增加，直到空間因失控的膨脹而被撕裂，粒子間距趨於(yu) 無限大，最終出現“大撕裂”。

為(wei) 了檢驗暗能量是由精質還是由宇宙學常數導致的，科學家必須確定暗能量的強度是否會(hui) 隨著時間改變。有多個(ge) 觀測項目在搜集宇宙不同年齡階段空間膨脹速率的數據，其中一個(ge) 例子便是為(wei) 期六年的“暗能量巡天”（Dark Energy Survey）。該項目利用坐落於(yu) 智利的光學望遠鏡維克托·布蘭(lan) 科望遠鏡（the Victor Blanco Telescope）對大範圍天區內(nei) 不同距離處的星係進行觀測，確定它們(men) 的位置。目前來看，各種跡象都表明暗能量是一個(ge) 常數。另外一種確定精質是否真實存在的方法是，尋找這種能量導致自然基本常數隨時間變化的證據。目前，沒有任何證據表明這些常數發生了變化。

在接下來的幾十年中，新的觀測將讓科學家更清楚地判斷宇宙學常數（以及其背後的真空能）是否是暗能量的來源。貝拉·魯賓天文台（The Vera Rubin Observatory）的遠古時空巡天項目（Legacy Survey of Space and Time）會(hui) 極大地提升對宇宙膨脹曆史的探測精度。或許在不遠的將來，科學家能更明確地會(hui) 回答這些棘手的問題——是否有精質存在，宇宙的膨脹是否由常數決(jue) 定。

時空漣漪和中子星

如果，正如現有證據顯示的那樣，暗能量真的是宇宙學常數的結果，那麽(me) 我們(men) 仍有機會(hui) 篩選那些解釋為(wei) 何宇宙學常數如此之小的多種多樣的理論。即將到來的實驗和天文學觀測可能會(hui) 提供區分不同理論的方法，從(cong) 而排除一些理論，甚至還有可能為(wei) 其他理論提供一些支持。

五年前，科學家獲得了一種探測宇宙的全新方法，這就是引力波，它是巨大質量的天體(ti) 碰撞時產(chan) 生的時空漣漪。引力波天文台，例如美國的激光幹涉引力波觀測台（LIGO）以及歐洲的室女座引力波探測器（Virgo），正在聯合搜尋那些由宇宙災難性事件產(chan) 生的引力波。這些引力波事件可在研究真空能的性質時發揮重要作用。一些嚐試解決(jue) 宇宙學常數疑難的理論需要修改廣義(yi) 相對論，那麽(me) 它們(men) 所預言的引力波傳(chuan) 播速度可能會(hui) 略小於(yu) 光速。不過事實似乎表明，引力波幾乎是和光同時達到的，足以排除掉這些理論了。

當雙中子星碰撞時，產(chan) 生的引力波可以幫助物理學家研究宇宙學常數。

引力波同樣揭示了中子星內(nei) 部奇怪的活動。這些超新星爆發遺留下的天體(ti) 如此致密，以至於(yu) 內(nei) 部原子結構瓦解，原子中的電子被壓進質子，變成中子，最後整個(ge) 天體(ti) 中隻剩下中子。這種奇異的狀態會(hui) 激發出奇異的現象，例如，中子星的內(nei) 核可能會(hui) 含有全新的物質狀態，導致內(nei) 部真空能量級發生跳變。引力波觀測可能會(hui) 對該種額外真空能的引力效應很敏感，是揭示真空能本質的種子選手之一。

天體(ti) 物理實驗在宇宙尺度上尋找證據，而那些距離我們(men) 近一點的實驗其實也可以幫助研究者篩選宇宙學常數的各種假說。在最小尺度上探測宇宙的實驗室設施可能對一些物理學家提出的修正廣義(yi) 相對論非常敏感。

一個(ge) 具有代表性的例子是華盛頓大學厄特-沃什小組（Eöt-Wash group）的工作。該小組成員使用極高靈敏度的平衡實驗來精確測試引力。他們(men) 的設備被稱為(wei) 扭秤（torsion balance）：這個(ge) 極高精度的實驗允許研究人員探測引力在數十萬(wan) 分之一米尺度下的行為(wei) 。如果引力如某些理論所預言的那樣，真的在這樣近的距離上減弱了，或者空間存在微小的額外維度，厄特-沃什小組就能把它們(men) 找出來。目前，引力仍然始終遵循著牛頓和愛因斯坦的定律，隱藏的維度也沒有現身，不過科學家始終在調整他們(men) 的設備，致力於(yu) 探測越來越微小的尺度。

盡管困難重重，物理學家仍舊希望在不久的將來，會(hui) 有一個(ge) 最終的解決(jue) 方案。或許這些試圖理解宇宙學常數的努力能揭示量子力學和廣義(yi) 相對論之下更深層次的真理。或許科學家會(hui) 發現一種更簡單的解決(jue) 方法。盡管他們(men) 尋找的方案可能不會(hui) 成功，不過這些物理學家仍然沉醉其中，享受著解決(jue) 問題的過程。


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