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西。如果放大宇宙中一片空蕩蕩的區(qū)域，你會發(fā)現(xiàn)一片動態(tài)的景象——粒子快速地產(chǎn)生又幾乎立刻消失。掌管著微觀世界的量子力學(xué)理論并不允許所謂“虛無”的存在。嚴格意義上，在任何給定的時空中，能量永遠都不會等于零，總會存在一些“回旋的余地”。

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

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

真空能的問題在于它不夠大。當科學(xué)家首次想到用這個概念來解釋宇宙加速膨脹時，他們通過量子力學(xué)計算了真空能的大小，發(fā)現(xiàn)它應(yīng)該很大。這種能量應(yīng)該會極快地推動宇宙膨脹，致使物質(zhì)密度快速下降，恒星與星系都無法形成。很明顯，我們的宇宙并不是這樣，因此真空能必須非常小——大約需要比計算結(jié)果小120個量級。這樣巨大的差異讓很多科學(xué)家調(diào)侃真空能是“整個物理歷史上最糟糕的理論預(yù)言”。

廣義相對論方程中有一個常數(shù)項，叫做“宇宙學(xué)常數(shù)”，物理學(xué)家認為，這個常數(shù)表示的其實就是真空能。理論預(yù)言的真空能與測量值之間巨大的差異，通常被稱為宇宙學(xué)常數(shù)疑難。

這個謎題吸引了一批頂尖物理學(xué)家的注意，他們?yōu)榇颂岢隽嗽S多新理論。去年，紐約大學(xué)的物理學(xué)家格雷戈里·加巴達澤（Gregory Gabadadze）在布朗大學(xué)物理學(xué)系做了一小時關(guān)于真空能問題的報告。該報告總結(jié)了目前為止理論學(xué)家提出的所有解決方案。報告結(jié)束，一位觀眾問格雷戈里在這些想法他最傾向哪個，“一個也不，”他回答道。他認為這些想法都太“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，這些新的理論工作實際上為解決當前的真空能“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(xué)的進步，為檢驗?zāi)切├碚撓敕ㄌ峁┝讼Ｍ?。我們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。

宇宙學(xué)常數(shù)有著一段一波三折的歷史。愛因斯坦在1917首次提出了宇宙學(xué)常數(shù)，為他的廣義相對論場方程打上了一個數(shù)學(xué)補丁，確保能夠給出一個靜態(tài)宇宙。這是由于當時他和其他科學(xué)家都認為宇宙應(yīng)該是靜止不動的。但是，1929年天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）測量了許多星系的速度，發(fā)現(xiàn)這些星系紛紛離我們遠去。更有意思的是，星系距離我們越遠，退行速度就越快。哈勃的測量結(jié)果表明，整個空間每一處都在膨脹。面對這樣一個不容置疑的發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦在幾年后終于決定將這個常數(shù)去掉。根據(jù)物理學(xué)家喬治·蓋莫（George Gamow）的說法，愛因斯坦認為加入宇宙學(xué)常數(shù)是他物理學(xué)生涯里“最大的錯誤”。

在很長一段時間里，宇宙學(xué)常數(shù)似乎已經(jīng)被歷史遺棄，但它卻在悄悄準備著卷土重來。上世紀90年代末期，兩個互相競爭的天文學(xué)團隊通過對超新星的觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙壓根就沒有減速膨脹，反而是一直在加速膨脹。這個令人震驚的發(fā)現(xiàn)為三位團隊領(lǐng)導(dǎo)者贏得了諾貝爾物理學(xué)獎，并且促使宇宙學(xué)家邁克爾·特納（Michael Turner）為這種導(dǎo)致宇宙加速的神秘的力發(fā)明了一個專有名詞“暗能量”。很快，物理學(xué)家就提出暗能量的來源可能正是宇宙學(xué)常數(shù)，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么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(fā)現(xiàn)者之一）這樣寫道。

盡管宇宙學(xué)常數(shù)的加入再次讓愛因斯坦場方程維持了平衡，給出了一個與觀測相符的加速宇宙解，但這個宇宙學(xué)常數(shù)的值卻并不合理。事實上，它的引入讓問題變得更嚴峻了。此前，在宇宙學(xué)常數(shù)坐冷板凳那段時間里，物理學(xué)家將廣義相對論中的這個常數(shù)項和量子力學(xué)中的真空能聯(lián)系了起來。但是正如之前所說，真空能應(yīng)該比這大得多。

第一個注意到不對勁的人是物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli）。他在20世紀20年代就發(fā)現(xiàn)這種能量太大了，以至于宇宙膨脹過快，來自于鄰近天體的光都無法趕上膨脹的速度。泡利發(fā)現(xiàn)，整個可觀測宇宙大小“甚至無法達到月球”。第一位正式計算宇宙學(xué)常數(shù)值的人是雅科夫·澤爾多維奇（Yakov Zeldovich）。基于量子理論對真空能的預(yù)言，他在1967年發(fā)現(xiàn)真空能會使宇宙學(xué)常數(shù)非常巨大。但是當時，科學(xué)家普遍認為宇宙以穩(wěn)定或者減小的速度膨脹，因此大部分人相信宇宙學(xué)常數(shù)應(yīng)該是零。由此，宇宙學(xué)常數(shù)問題誕生了。

30年后，當科學(xué)家逐漸認識到宇宙的膨脹是加速的，該問題并沒有得到解決。我們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，但與量子理論的預(yù)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(xué)常數(shù)項反而讓這個困擾人們的問題更加糟糕了。之前我們只需要思考為什么這個常數(shù)應(yīng)該精確地等于零，但現(xiàn)在我們需要思考的是，這個常數(shù)為什么僅僅比零大一點，這更加令人頭疼。

雖然有大量的物理學(xué)家懷著熱枕之心，試圖解決這個棘手的問題，但令人失落的是，目前的進展非常緩慢。自從澤爾多維奇指出這個問題已經(jīng)過去50多年了，可迄今為止，還沒有一個站得住腳的、被人們接受的解釋。大多數(shù)用于解決宇宙學(xué)常數(shù)問題的方案可以歸為3類：修改廣義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(yù)言，以及考慮一些全新的東西。

宇宙學(xué)常數(shù)問題是物理學(xué)中一個重要的未解之謎：作為愛因斯坦廣義相對論場方程中的一部分，該常數(shù)的值似乎遠遠小于理論的預(yù)言。這個謎團的核心存在三個互相纏繞的概念——真空能（無物質(zhì)的空間自帶的能量）、暗能量（導(dǎo)致宇宙加速膨脹的原因）和宇宙學(xué)常數(shù)本身。

修改廣義相對論可以改變宇宙學(xué)常數(shù)所扮演的數(shù)學(xué)角色，或者完全把它移除。比如，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的理論物理學(xué)家凱瑟琳·弗里茲（Katherine Freese）和同事就試圖通過改變廣義相對論的計算，來消除宇宙加速膨脹對宇宙學(xué)常數(shù)的依賴。弗里茲說：“物質(zhì)和光子成分可能已經(jīng)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?！痹谒哪Ｐ椭?，除了我們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的視野之外。

如果廣義相對論并不是問題所在，那么或許量子力學(xué)才是。一些理論物理學(xué)家認為，計算真空能的量子場論方法或許有問題。德國萊比錫大學(xué)的斯特凡·霍蘭茲（Stefan Hollands）和同事對將正則量子方程用于彎曲時空表示質(zhì)疑，他們認為該方程僅適用于平坦空間內(nèi)。如果物理學(xué)家能夠修正在彎曲時空下的正則量子方程，就能解決宇宙學(xué)常數(shù)的問題。

不過，解決該問題需要的可能不僅僅是在數(shù)學(xué)上巧妙地修改傳統(tǒng)方程。近期，加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的史蒂夫·卡利普（Steve Carlip）提出了一個非主流的觀點，他認為時空從根本上說是由“泡沫”構(gòu)成的。在他的物理圖景中，空間曲率總是在遠遠小于我們探測極限的尺度上不斷漲落。所有這些極小尺度的漲落會構(gòu)成復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)，很大程度上抹除了大部分由宇宙學(xué)常數(shù)帶來的影響，使其在局部尺度上難以表現(xiàn)出來。

另外一個非常著名卻讓人討厭的宇宙學(xué)常數(shù)解決方案被稱為人擇原理（anthropic principle）。這個方案認為，我們宇宙中的宇宙學(xué)常數(shù)的確擁有一個可能性極低的值，并將其解釋為我們生活在一個多元宇宙中。如果我們的宇宙只是宇宙海洋中的一個泡泡，而海洋中每一個泡泡里的物理規(guī)律和常數(shù)都存在差異，那就肯定存在一個擁有這樣宇宙學(xué)常數(shù)的宇宙。更重要的是，大多數(shù)的泡泡并不能像我們的宇宙一樣，允許星系、恒星、星系或是生命存在，因此我們發(fā)現(xiàn)自己身處極小概率的離群值里，也是預(yù)料之中的事情了。弦論學(xué)家試圖通過這套邏輯從根本上解決宇宙學(xué)常數(shù)問題，不過，其他的物理學(xué)家則認為這是站不住腳的理念。

宇宙學(xué)常數(shù)仍舊是對導(dǎo)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宇宙學(xué)常數(shù)，或者說真空能一點關(guān)系都沒有呢？在這種情況下，暗能量可能正是精質(zhì)（quintessence，又譯作第五元素）的表現(xiàn)形式。

精質(zhì)這個概念的提出是為了解釋宇宙的加速膨脹。精質(zhì)是某種形式的能量，它遍布整個空間，具有負壓強，會隨著時間變化。精質(zhì)理論的一個分支是幻能量（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，粒子間距趨于無限大，最終出現(xiàn)“大撕裂”。

為了檢驗暗能量是由精質(zhì)還是由宇宙學(xué)常數(shù)導(dǎo)致的，科學(xué)家必須確定暗能量的強度是否會隨著時間改變。有多個觀測項目在搜集宇宙不同年齡階段空間膨脹速率的數(shù)據(jù)，其中一個例子便是為期六年的“暗能量巡天”（Dark Energy Survey）。該項目利用坐落于智利的光學(xué)望遠鏡維克托·布蘭科望遠鏡（the Victor Blanco Telescope）對大范圍天區(qū)內(nèi)不同距離處的星系進行觀測，確定它們的位置。目前來看，各種跡象都表明暗能量是一個常數(shù)。另外一種確定精質(zhì)是否真實存在的方法是，尋找這種能量導(dǎo)致自然基本常數(shù)隨時間變化的證據(jù)。目前，沒有任何證據(jù)表明這些常數(shù)發(fā)生了變化。

在接下來的幾十年中，新的觀測將讓科學(xué)家更清楚地判斷宇宙學(xué)常數(shù)（以及其背后的真空能）是否是暗能量的來源。貝拉·魯賓天文臺（The Vera Rubin Observatory）的遠古時空巡天項目（Legacy Survey of Space and Time）會極大地提升對宇宙膨脹歷史的探測精度?；蛟S在不遠的將來，科學(xué)家能更明確地會回答這些棘手的問題——是否有精質(zhì)存在，宇宙的膨脹是否由常數(shù)決定。

如果，正如現(xiàn)有證據(jù)顯示的那樣，暗能量真的是宇宙學(xué)常數(shù)的結(jié)果，那么我們?nèi)杂袡C會篩選那些解釋為何宇宙學(xué)常數(shù)如此之小的多種多樣的理論。即將到來的實驗和天文學(xué)觀測可能會提供區(qū)分不同理論的方法，從而排除一些理論，甚至還有可能為其他理論提供一些支持。

五年前，科學(xué)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(zhì)量的天體碰撞時產(chǎn)生的時空漣漪。引力波天文臺，例如美國的激光干涉引力波觀測臺（LIGO）以及歐洲的室女座引力波探測器（Virgo），正在聯(lián)合搜尋那些由宇宙災(zāi)難性事件產(chǎn)生的引力波。這些引力波事件可在研究真空能的性質(zhì)時發(fā)揮重要作用。一些嘗試解決宇宙學(xué)常數(shù)疑難的理論需要修改廣義相對論，那么它們所預(yù)言的引力波傳播速度可能會略小于光速。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(chǎn)生的引力波可以幫助物理學(xué)家研究宇宙學(xué)常數(shù)。

引力波同樣揭示了中子星內(nèi)部奇怪的活動。這些超新星爆發(fā)遺留下的天體如此致密，以至于內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)瓦解，原子中的電子被壓進質(zhì)子，變成中子，最后整個天體中只剩下中子。這種奇異的狀態(tài)會激發(fā)出奇異的現(xiàn)象，例如，中子星的內(nèi)核可能會含有全新的物質(zhì)狀態(tài)，導(dǎo)致內(nèi)部真空能量級發(fā)生跳變。引力波觀測可能會對該種額外真空能的引力效應(yīng)很敏感，是揭示真空能本質(zhì)的種子選手之一。

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

一個具有代表性的例子是華盛頓大學(xué)厄特-沃什小組（E?t-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。他們的設(shè)備被稱為扭秤（torsion balance）：這個極高精度的實驗允許研究人員探測引力在數(shù)十萬分之一米尺度下的行為。如果引力如某些理論所預(yù)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(xiàn)身，不過科學(xué)家始終在調(diào)整他們的設(shè)備，致力于探測越來越微小的尺度。

盡管困難重重，物理學(xué)家仍舊希望在不久的將來，會有一個最終的解決方案?；蛟S這些試圖理解宇宙學(xué)常數(shù)的努力能揭示量子力學(xué)和廣義相對論之下更深層次的真理?；蛟S科學(xué)家會發(fā)現(xiàn)一種更簡單的解決方法。盡管他們尋找的方案可能不會成功，不過這些物理學(xué)家仍然沉醉其中，享受著解決問題的過程。