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苍茫宇宙，谁主沉浮？暗能量、爱因斯坦的错误和宇宙的命运



香港科技大学，副教授
理论物理所所友（05级硕博连读研究生）
知名科普作家
知乎科研话题优秀答主，知乎ID: 王一

什么是暗能量 [1]？回答这个问题之前，先请问大家一个问题：引力总是吸引的吗？
自从三百多年前的牛顿时代，自从苹果落地的故事起，我们就知道 “万有引力”—— 那种万物之间，都互相吸引的力。后来，爱因斯坦的引力理论，广义相对论，也认为对正常物质而言，引力是吸引的。但是，1998年，宇宙学家通过观测颠覆了“引力总是吸引的”这个观点。
观测表明，遥远的天体正在加速逃离我们。什么是“加速逃离”呢？
比如从地球上发射一枚火箭，当火箭发动机关闭，不再有推力的时候，就算火箭能逃离地球，由于火箭受到地球引力作用，也应该是减速逃离地球的。假如自由运动的火箭能加速逃离地球，恐怕地球与火箭之间的万有引力就变成排斥力，也就是“反引力”了。
当然，我们目前还没有任何办法反转地球引力。但是如果把宇宙和遥远天体之间的关系类比做地球和火箭的关系的话 [2]，宇宙学观测告诉我们，宇宙并没有为遥远的天体提供吸引力。恰恰相反，宇宙正在给遥远的天体施加排斥力，让这些天体彼此加速远离。
宇宙是通过什么东西给遥远的天体施加排斥力，驱赶天体加速远离，也就是驱动宇宙的加速膨胀呢？这种驱动宇宙加速膨胀的东西，我们不知道它是什么。但是，既然知道它驱动宇宙加速膨胀的效用，就给它起一个名字，叫“暗能量”。
我们常说，“世界是原子组成的”。但是，按能量成分来算，现在宇宙中的暗能量，比我们熟悉的所有原子物质加起来，还多十多倍。

既然暗能量是推动宇宙加速膨胀的“东西”，那么这东西到底是什么呢？现在，我们还不知道暗能量到底是什么。但是，我们知道一些可能能解释暗能量的理论，以及这些理论为什么会给整个基础物理带来大麻烦（也是大机遇）。下面我们就谈谈这些理论和问题。
宇宙常数
目前最简单，也最符合观测的暗能量模型，是爱因斯坦当年手欠的结果。他想多了，为他的理论强行加戏，后来，他为自己的手欠懊悔不已。但是，他逝世后几十年，这个手欠的幽灵，却又回来了。
让我们回到1917年，也就是爱因斯坦提出广义相对论两年之后。他把广义相对论用到宇宙上，奠定了现代宇宙学的理论框架。不过，爱因斯坦梦想中的宇宙是永恒不变的，而他从广义相对论中解出的宇宙，不是膨胀就是收缩。这就好比向上扔出一个小球，小球不是上升就是下降，不会一直静止在空中不动一样。为了让他的宇宙模型像他想得那样美，爱因斯坦人为地在他的引力方程中加入了一个用来稳定宇宙的排斥力，这个排斥力叫做“宇宙常数”。
爱因斯坦对美的追求，带给了他狭义相对论、广义相对论。但是，这次，他错了。
1920年代，哈勃等人发现了宇宙的膨胀。爱因斯坦感觉很是懊悔。因为如果他当年没有手欠，在他的方程中加一个宇宙常数项，那么他1917年就可以从理论上预言宇宙膨胀了。1931年，爱因斯坦放弃了宇宙常数假说，并且声称，在他的引力理论中加上宇宙常数，是他一生所犯的最大的错误。1931年爱因斯坦造访美国期间，他还特地前往威尔逊山天文台造访哈勃，赞赏哈勃的发现，奠定了观测宇宙学的基础。
之后的故事，相信大家能猜到了。1998年，宇宙加速膨胀的发现，最简单的解释，就是把爱因斯坦的宇宙常数项请回来。当时爱因斯坦是用宇宙常数让宇宙保持静止。现在把宇宙常数调大一点，宇宙里有了更大的斥力，不就可以加速膨胀了吗。于是，爱因斯坦最大的错误，又成了近年来宇宙学最大的发现。
关于暗能量本质的其它猜测
用宇宙常数来解释暗能量，看起来很美。但是量子力学天生（尽管也算是爱因斯坦生的）和爱因斯坦不对付。考虑了量子力学之后，用宇宙常数来解释暗能量就看起来很扯了。这个事我们一会再扯。
既然宇宙常数解释存在缺陷，各种暗能量模型像雨后（有些也是雨前）春笋一样冒了出来。中国科学院理论物理研究所也是暗能量研究的重要基地之一。限于篇幅，这里我们只描述几句这些模型的大概长相（详见我们的综述 [3]）。
比如说，爱因斯坦的广义相对论是不是到宇宙尺度就不对了呢？比如说宇宙那么远的距离上，引力就消失了，甚至反转了？比如说，宇宙常数是不是可以由动力学更丰富的标量场代替？比如说，暗能量背后有没有更暗的仔，在宏观调控着宇宙中暗能量的大小？比如说，是不是可以通过量子引力中的全息原理，三维空间和二维空间的关系来推导暗能量？比如说，暗能量的大小是否和宇宙年龄密切相关？比如说，暗能量的大小是否和人的存在有关？最后这个问题叫人择原理。最后我们还会回到这个问题上来。在此之前，我们先聊聊暗能量为什么这么重要。

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