[科普中国]-宇宙常数

基本简介

20世纪20年代，天文学家认为宇宙的大小是固定的。即便广义相对论预示事实并非如此的时候，爱因斯坦也没有转变思路，找出正确答案。相反，他在自己的理论中发明了一个术语去抵消几乎无处不在的引力，用以保持宇宙的恒定不变。爱因斯坦后来将这一术语(宇宙常数)称为他一生中“最大的错误”。

美国科学家埃德温-哈勃的研究揭示了爱因斯坦的错误，让天文学家放弃对静态、稳定宇宙的原有认识，重新开始揭示一个奇异而令人困惑的宇宙。哈勃在自己的研究发现中采用了当时新发现的“宇宙卷尺”――称为“造父变星”(Cepheidvariable)的一类特殊恒星。通过在威尔逊山天文台扫描天空，哈勃确定了天体――模糊星云(被认为是银河系中的气态云)的距离。

在前人的基础上，哈勃的研究不仅表明，这些星云是它们自己的星系，而且还通过测量它们随时间而变化的速度，证实它们快速远离地球。哈勃的研究还表明，距离银河系越远，这些星云的速度越快。这种解释听上去很有道理，但其他星系为何加速离开地球的原因尚不得而知。大多数物理学家认为是暗能量在作祟，但他们尚不能准确确定这一原因。

引力场方程哈勃定律1929年﹐哈勃发现星系红移的哈勃定律﹐确定静态宇宙模型与实际不符。但有些学者﹐如爱丁顿﹑德西特﹑泽尔多维奇则认为宇宙常数可能有新的物理意义﹐不宜轻易抛弃。目前﹐学者们对宇宙常数的看法并不一致﹐有的认为是正值﹔有的认为是负值﹔有的认为是常数﹔有的则认为它随时间而变化。但多数倾向于取正值﹐其物理意义可能代表宇宙真空场的能量－动量张量与可能存在于物质之间的斥力。估计宇宙常数的上限为10厘米。

爱因斯坦首次用引力场方程来研究宇宙的整体，开创了理论宇宙学的新学科。在他提出“有限无界的静态宇宙”模型时，已经感觉到了“宇宙有引力收缩的趋势”，为了不让这个不情愿的趋势破坏了美好的静态，他特别引入了一个反引力的“宇宙常数”以抵消这种引力收缩的趋势，从而人类失去了一项重大的科学预言的机遇。1929年哈勃观察到星系光谱红移和距离的线性关系，即所谓哈勃定律。人们把红移归结于宇宙的膨胀，并推论宇宙是由于一百多亿年前的一次 大爆炸产生的，产生了标准的大爆炸宇宙学理论。当爱因斯坦得知了哈勃发现的“宇宙普遍在膨胀”的事实后，爱因斯坦承认自己引出的宇宙常数犯了一个关键性的最大错误。事实上，爱因斯坦在黑洞问题上最初也有反对意见。可事实是爱因斯坦的宇宙常数是正确的。

Hubble定律Einstein当初根据他的场方程解出的宇宙是膨胀的，他认为宇宙应该是平直的，所以他人为的加入了一项宇宙学常数项，使得给出的结果是平直的宇宙。但随着Hubble发现了Hubble定律，证实了宇宙的膨胀，Einstein去掉了这个常数项，并宣称这是他“一生犯的最大的错误”。

然而今天，科学家重新引入了宇宙学常数项，这和当初Einstein引入以给出平直宇宙模型不同，现在的宇宙学常数项代表了暗能量和暗物质项，当然这也是会影响到宇宙的发展的，但现在这项是有意义的，而不是当初仅仅为了满足个人观念的需要。

经过多年的观测和研究，人们不仅发现了宇宙在膨胀，而且随着观测手段和工具的日益先进，还发现了宇宙竟然在加速膨胀这似乎意味着有一种反引力的什么作用在其中扮演了重要角色，科学家将这种尚不知道的反引力作用称为“暗能量”。据此人们说，爱因斯坦的反引力宇宙常数似乎又要复活了。

暗能量1998年，天文学家们发现，宇宙不只是在膨胀，而且在以前所未有的加速度向外扩张，所有遥远的星系远离我们的速度越来越快。那么一定有某种隐藏的力量在暗中把星系相互以加速膨胀的方式撕扯开来，这是一种具有排斥力的能量，科学家们把它称为“暗能量”。近年来，科学家们通过各种的观测和计算证实，暗能量不仅存在，而且在宇宙中占主导地位，它的总量约达到宇宙总量的73%，而宇宙中的暗物质约占23%、普通物质仅约占4%.我们一直以为满天繁星就已经够多了，宇宙中还有什么能比得上它们呢？而现在，我们才发现这满天繁星却是“弱势群体”，剩下的绝大部分都是我们知之甚少或干脆一无所知的，这怎么不让人感到惊心动魄呢！

事实上，早在1930年，就有天体物理学家指出，爱因斯坦那加入了宇宙常数的宇宙学方程并不能导出完全静态的宇宙：因为引力和宇宙常数是不稳定的平衡，一个小小的扰动就能导致宇宙失控的膨胀和收缩。而暗能量的发现告诉我们，爱因斯坦那作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在，而且大大扰动了我们的宇宙，使宇宙的膨胀速率严重失控。在经历了一系列曲折后，宇宙常数正在时间中复活。

宇宙常数今日以暗能量的面目出现在世人面前，它所产生的汹涌澎湃的排斥力已令整个宇宙为之变色！暗能量和引力之间的角力战自宇宙诞生起就没有停止过，在这场漫长的战斗中，最举足轻重的就是彼此的密度。物质的密度随着宇宙膨胀导致的空间增大而递减；但暗能量的密度在宇宙膨胀时，变化得非常缓慢，或者根本保持不变。在很久以前，物质的密度是较大的，因此那时的宇宙是处于减速膨胀的阶段；现今的暗能量密度已经大于物质的密度，排斥力已经从引力手中彻底夺得了控制权，以前所未有的速度推动宇宙膨胀。根据一些科学家的预测，再过200多亿年，宇宙将迎来动荡的末日，恐怖的暗能量终将把所有的星系、恒星、行星一一撕裂，宇宙将只剩下没有尽头的寒冷、黑暗。

暗能量的发现，也充分地体现了人类认知过程又走进了一个“悖论怪圈”：即宇宙中所占比例最多的，反而是最迟也是最难为我们所知晓的。一方面人类现在对宇宙奥秘的了解越来越多，另一方面我们所要面对的未知也越来越多。而这日益深远的未知又反过来不断刺激着人类去探索宇宙背后的真相。

暗能量是怎么来的？它将如何发展？这已经是21世纪宇宙学所面临的最重大问题之一。

理论宇宙学爱因斯坦首次用引力场方程来研究宇宙的整体，开创了理论宇宙学的新学科。在他提出“有限无界的静态宇宙”模型时，已经感觉到了“宇宙有引力收缩的趋势，为了不让这个不情愿的趋势破坏了美好的静态，他特别引入了一个反引力的“宇宙常数”以抵消这种引力收缩的趋势，从而人类失去了一项重大的科学预言的机遇。1929年哈勃观察到星系光谱红移和距离的线性关系，即所谓哈勃定律。人们把红移归结于宇宙的膨胀，并推论宇宙是由于一百多亿年前的一次 大爆炸产生的，产生了标准的大爆炸宇宙学理论。当爱因斯坦得知了哈勃发现的“宇宙普遍在膨胀”的事实后，爱因斯坦承认自己引出的宇宙常数犯了一个关键性的最大错误。事实上，爱因斯坦在黑洞问题上最初也由反对意见。

诞生爱因斯坦奋斗了近10年才得到广义相对论，这个理论源于他在1907年的关键想法:重力和加速运动是等同的，爱因斯坦以他有名的想像实验来说明:一台电梯静止於强度为g的均匀重力场中，另一台电梯在没有重力场的空间中以等加速g前进，则这两台电梯内的物理，会完全一样。

爱因斯坦也受到奥地利物理学家马赫的强烈影响，马赫认为应该抛弃时空绝对坐标系的概念，在牛顿力学中，惯性指的是没有受力的物体以固定速度运动的倾向，固定速度这个概念需要一个惯性的(没有加速的)参考坐标系，但所谓没有加速度究竟是相对於哪个坐标呢牛顿假设存在著一个绝对空间，一个用以定义所有局部惯性坐标系的静止参考坐标系，不过，马赫认为惯性坐标系是由宇宙中物质的分布所定义的，爱因斯坦的广义相对论相当程度地实现了这个想法。

爱因斯坦的理论是头一个有希望能够完善地描绘宇宙的重力论，它不仅可以描述物体如何穿越时空，也可以描述时间和空间本身如何演变，当爱因斯坦利用他的新理论来描述宇宙的时候，他所追寻的是一个有限的，静态的，满足马赫原理的解(例如，物质的分布如果仅局限於有限的空间范围之内，则似乎不能满足马赫原理，因为马赫认为我们需要物质以便定义空间)，这三项偏见使得爱因斯坦引入了宇宙项来建构一个静态解，这个静态宇宙解是有限的也是没有边界的—它会弯曲回来，像是气球表面。

消亡在1917年，荷兰宇宙学家德西特证明了即使没有物质，只要有宇宙常数，也可以找到一个时空解，这是非常不符马赫原理的结果，后来人们发现德西特的模型并不是静态的时空，俄罗斯物理学家佛里特曼在1922年建构了膨胀与收缩的宇宙，这个模型并不需要宇宙项，1929年美国物理学家哈伯发现宇宙在膨胀，在1930年，英国天文物理学家艾丁顿证明爱因斯坦的宇宙其实并不真的是静态的:因为重力与宇宙项的平衡非常不稳定，些许的微扰就会导致急速的膨胀或收缩，1931年，因哈伯的发现使得我们“不必以宇宙项来抵消重力”，爱因斯坦就正式放弃了宇宙项，他说，“反正它的理论基础也不令人满意，”在接下来的60年里，宇宙项被排除在宇宙学之外。

复活爱因斯坦曾说，他这辈子犯下的最大错误是在广义相对论方程式中加入“宇宙常数”，即一种他设想的未知宇宙能量。但美国天文学家说，根据哈勃太空望远镜的观测结果，爱因斯坦没错，宇宙中确实存在被科学家称为“暗黑能量”的神秘力量，这种能量在推动宇宙加速膨胀。

早先让宇宙项复活的却不是处理大宇宙尺度的相对论，而是处理小尺度世界的量子力学，但是宇宙项最令人惊讶的地方在於，即使爱因斯坦没有因为一时困惑而将它引进理论之中，我们现在也了解到它的存在似乎还是无法避免，现今宇宙项复活的原因不在处理最大尺度宇宙的相对论，而在於量子力学，这个最小尺度世界的物理，我们对於宇宙项的崭新观点和爱因斯坦的不同，他原先的方程式(Gμν=8πGTμν)联系了空间的曲率(Gμν)和物质与能量的分布(Tμν)，其中的G是界定重力强度的牛顿常数，当爱因斯坦加进宇宙项时，他把它放在方程式的左边，认为宇宙项是空间的性质〈意义改变了〉，但是如果我们把它移到方程式的右边，意义就完全不一样，它代表了一种怪异的新型能量密度。

新观点在探索宇宙演化的奥秘时，没有什么能像暗能量这样让科学家如此感兴趣。现有理论认为，暗能量是一种因宇宙加速度膨胀而引发的力。

2006年1月11日，美国路易斯安娜州立大学的天文学家沙佛在美国天文学会会议上宣读了一份研究论文，提出了一个新的观点：暗能量施加的力可能随着时间推移而发生变化。这个观点对爱因斯坦提出的“宇宙常数”的正确性提出了新的质疑。沙佛在天文学会会上接受本报记者采访时说：“我提出的观点与爱因斯坦关于‘宇宙常数’的提法相左，这是描述暗能量如何随时间而变的第一个研究成果。我们需要更多地去验证这一成果，以获得更多信息。”

沙佛的发现是基于对发生在远至128亿光年的伽马射线大爆发的分析做出的。他发现，如果宇宙以不变的速度加速，这么遥远的伽马射线爆发，似乎应该比它被观测到的要更加明亮。他说：“当你追溯往事时，宇宙越来越慢地向外推进。在某一点，暗能量的压力是零，对宇宙并没有施加力量。对这一点，现有理论无法给出解释。”

沙佛的发现（首次试图采用伽马射线爆发来研究暗能量）所产生的结果，与观察不同超新星爆炸所积累的证据不一致。对超新星爆炸的观察提出，宇宙的膨胀正在按爱因斯坦的“宇宙常数”在加速。加州理工学院超新星宇宙学家埃里斯说：“采用伽马射线爆发作为‘距离显示器’的创意，是非常令人激动的。”他还说：“我不是说这种方法不好，问题在于现在还没有方法来检验这一技术是否正确。”

1999年，科学家提出了暗能量理论，以解释宇宙膨胀正在加速的事实。天文学家们认为，暗能量构成了70%%的宇宙，但他们不知道暗能量究竟是什么。美国天文学会主席柯施诺说：“暗能量是如此不可思议。人人都在寻找办法对它加以解释。”

美国宇航局于2000年发射的高能瞬间探测卫星———HETE-2，以及2004年发射的雨燕号伽马射线探测器，是目前观测伽马射线爆发的最好工具。这两枚卫星都是用来定位和观测伽马射线爆发的。伽马射线爆发一般持续几毫秒至几分钟。沙佛分析了52次爆发，从中发现：最遥远的爆发比用宇宙常数曾预测的爆发要明亮。这表明宇宙的膨胀曾经以比现有速度要慢的速度加速。