这个关乎宇宙命运的难题，源自爱因斯坦的“错误”
宇宙学常数来源于爱因斯坦场方程，曾被爱因斯坦认为是“自己一生中最大的错误”。但事实上，它比爱因斯坦当时的认知还要复杂得多。在量子理论预测的数值与宇宙观测得到的数值之间，是无法忽视的120个量级的巨大鸿沟……
撰文 | 克拉拉·莫斯科维茨（Clara Moskowitz）
翻译 | 许峰玮
每一处看似空无一物的地方，实际上都存在一些东西。如果放大宇宙中一片空荡荡的区域，你会发现一片动态的景象——粒子快速地产生又几乎立刻消失。掌管着微观世界的量子力学理论并不允许所谓“虚无”的存在。严格意义上，在任何给定的时空中，能量永远都不会等于零，总会存在一些“回旋的余地”。
正是因为有这样的“余地”，虚粒子才得以产生——具体来说，一对正负粒子在这个过程中产生了；但来也匆匆，去也匆匆，它们又会很快湮灭消失。虽然这听起来很奇怪，但是实验的确观测到了由虚粒子产生的真实物理效应。
虚粒子快速产生又湮灭，实际上就是充斥于整个宇宙空间的“真空能”的涨落。这种活动是暗能量最可能的解释，而后者是宇宙既非静态，又非以固定速度膨胀，而是每时每刻都在加速膨胀的原因。
真空能的问题在于它不够大。当科学家首次想到用这个概念来解释宇宙加速膨胀时，他们通过量子力学计算了真空能的大小，发现它应该很大。这种能量应该会极快地推动宇宙膨胀，致使物质密度快速下降，恒星与星系都无法形成。很明显，我们的宇宙并不是这样，因此真空能必须非常小——大约需要比计算结果小120个量级。这样巨大的差异让很多科学家调侃真空能是“整个物理历史上最糟糕的理论预言”。
文章插图
广义相对论方程中有一个常数项，叫做“宇宙学常数”，物理学家认为，这个常数表示的其实就是真空能。理论预言的真空能与测量值之间巨大的差异，通常被称为宇宙学常数疑难。
这个谜题吸引了一批顶尖物理学家的注意，他们为此提出了许多新理论。去年，纽约大学的物理学家格雷戈里·加巴达泽（Gregory Gabadadze）在布朗大学物理学系做了一小时关于真空能问题的报告。该报告总结了目前为止理论学家提出的所有解决方案。报告结束，一位观众问格雷戈里在这些想法他最倾向哪个，“一个也不，”他回答道。他认为这些想法都太“激进”了，或多或少都需要“放弃一些不可动摇的原理”。
但是一些物理家认为，这些新的理论工作实际上为解决当前的真空能“窘境”注入了新的活力。目前，检测引力的高精度实验以及引力波天文学的进步，为检验那些理论想法提供了希望。我们可以用实验测试理论模型的正确性，或者至少排除这些模型的可能性。
问题的产生
宇宙学常数有着一段一波三折的历史。爱因斯坦在1917首次提出了宇宙学常数，为他的广义相对论场方程打上了一个数学补丁，确保能够给出一个静态宇宙。这是由于当时他和其他科学家都认为宇宙应该是静止不动的。但是，1929年天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）测量了许多星系的速度，发现这些星系纷纷离我们远去。更有意思的是，星系距离我们越远，退行速度就越快。哈勃的测量结果表明，整个空间每一处都在膨胀。面对这样一个不容置疑的发现，爱因斯坦在几年后终于决定将这个常数去掉。根据物理学家乔治·盖莫（George Gamow）的说法，爱因斯坦认为加入宇宙学常数是他物理学生涯里“最大的错误”。
在很长一段时间里，宇宙学常数似乎已经被历史遗弃，但它却在悄悄准备着卷土重来。上世纪90年代末期，两个互相竞争的天文学团队通过对超新星的观测发现，宇宙压根就没有减速膨胀，反而是一直在加速膨胀。这个令人震惊的发现为三位团队领导者赢得了诺贝尔物理学奖，并且促使宇宙学家迈克尔·特纳（Michael Turner）为这种导致宇宙加速的神秘的力发明了一个专有名词“暗能量”。很快，物理学家就提出暗能量的来源可能正是宇宙学常数，换句话说，也就是真空能。“或许在爱因斯坦的错误中，恰恰隐含着凡人再怎么也无法企及的洞悉力。”索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter,宇宙加速膨胀的发现者之一）这样写道。
尽管宇宙学常数的加入再次让爱因斯坦场方程维持了平衡，给出了一个与观测相符的加速宇宙解，但这个宇宙学常数的值却并不合理。事实上，它的引入让问题变得更严峻了。此前，在宇宙学常数坐冷板凳那段时间里，物理学家将广义相对论中的这个常数项和量子力学中的真空能联系了起来。但是正如之前所说，真空能应该比这大得多。
推荐阅读
- 速度 宇宙中比光速更快的四种“速度”，你都知道几个
- 广告 广告太多，口碑下滑，这个陪伴了我们4年的王牌综艺还能坚持多久
- 火星 地球上居然有火星基地这个基地还是位于中国
- 恒星 190光年外，科学家发现一颗比宇宙还古老的恒星，怎么回事？
- 太阳 宇宙中所有星球都悬在空中，是什么力量在起作用这里告诉你答案
- 游戏 下一站“元宇宙”，沉浸式游戏有哪些可能性？
- 淄博 淄博这个海拔最高的村落，始建于元朝，房屋建筑颇有特色
- 宇宙 理论上宇宙应存在大量文明，为何却没有文明联系我们，原因是什么？
- 仙女座 真正的“宇宙霸主”出现，银河系不算什么，它的直径100亿光年
- 我是大侦探 明侦这个节目，主线1是案情演绎，主线2是搜证及推理