1917 年，阿尔伯特·爱因斯坦在试图调和他的新引力理论——广义相对论与当时对宇宙的有限理解时，面临着一个令人困惑的问题。 与他的大多数同时代人一样，爱因斯坦确信宇宙一定是静态的——既不膨胀也不收缩——但这种理想状态与他的引力方程不一致。绝望之下，爱因斯坦在他的方程中添加了一个额外的、临时的宇宙项，以抵消引力并允许静态解。
然而，十二年后，美国天文学家埃德温·哈勃发现宇宙远非静态。他发现遥远的星系正以与其距离成正比的速度迅速远离我们自己的星系。不需要宇宙项来解释膨胀的宇宙，因此爱因斯坦放弃了这个概念。俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫在他的自传中宣称，当我和爱因斯坦讨论宇宙学问题时，他评论说，引入宇宙项是他一生中犯下的最大错误。
然而，在过去的七年中，宇宙项——现在称为宇宙常数——重新出现，在 21 世纪的物理学中发挥着核心作用。但这种复兴的动机实际上与爱因斯坦最初的想法截然不同；这个术语的新版本来自最近对加速宇宙的观测，并且具有讽刺意味的是，来自量子力学原理，量子力学是爱因斯坦如此著名的憎恶的物理学分支。现在，许多物理学家期望宇宙项能够为超越爱因斯坦的理论，更深入地理解空间、时间和引力，甚至可能是将引力与自然界其他基本力统一起来的量子理论提供关键。现在断言最终的解决方案是什么还为时过早，但它很可能会改变我们对宇宙的图景。
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常数的诞生
广义相对论源于爱因斯坦在 1907 年对引力和加速运动等效性的关键观察之后，进行了长达十年的努力。正如爱因斯坦著名的思想实验所表达的那样，在强度为 g 的均匀引力场中静止的电梯内部的物理学，与在空旷空间中以 g 的均匀加速度飞驰的电梯内部的物理学完全相同。
爱因斯坦还深受奥地利物理学家恩斯特·马赫的哲学思想的影响，后者拒绝了时空绝对参考系的想法。在牛顿物理学中，惯性是指物体以恒定速度运动的趋势，除非受到力的作用。恒定速度的概念需要一个惯性（即不加速）参考系。但是相对于什么不加速呢？牛顿假设绝对空间的存在，这是一个不可移动的参考系，它定义了所有局部惯性系。然而，马赫提出宇宙中物质的分布定义了惯性系，并且在很大程度上，爱因斯坦的广义相对论体现了这种概念。
爱因斯坦的理论是第一个有望提供整个宇宙自洽图景的引力概念。它不仅允许描述物体如何在空间和时间中运动，而且允许描述空间和时间本身如何动态演化。在使用他的新理论来尝试描述宇宙时，爱因斯坦寻求一个有限的、静态的并且遵守马赫原理的解决方案（例如，物质的有限分布拖入空虚似乎不符合马赫关于物质对于定义空间是必要的概念）。这三种偏见导致爱因斯坦引入宇宙项，以构建一个静态解决方案，该解决方案是有限的，但没有边界——他的宇宙像气球表面一样向自身弯曲 [参见第 70 页的方框]。从物理学角度来看，宇宙项在我们的太阳系尺度上是不可观测的，但它会在更大的尺度上产生宇宙排斥，这将抵消遥远物体的引力吸引力。
然而，爱因斯坦对宇宙项的热情开始迅速消退。 1917 年，荷兰宇宙学家威廉·德西特证明，即使在没有物质的情况下，他也可以产生具有宇宙项的时空解——这是一个非常非马赫的结果。后来证明该模型是非静态的。 1922 年，俄罗斯物理学家亚历山大·弗里德曼构建了不需要宇宙项的膨胀和收缩宇宙模型。 1930 年，英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿表明，爱因斯坦的宇宙并非真正静态：由于引力和宇宙项如此不稳定地平衡，微小的扰动会导致失控的收缩或膨胀。到 1931 年，随着哈勃牢固地确立了宇宙的膨胀，爱因斯坦正式放弃了宇宙项，认为它在理论上无论如何都不能令人满意。
哈勃的发现消除了宇宙项抵消引力的需要；在膨胀的宇宙中，引力只是减缓了膨胀。然后问题就变成了，引力是否足够强大，最终阻止膨胀并导致宇宙坍缩，或者宇宙是否会永远膨胀？在弗里德曼模型中，答案与物质的平均密度有关：高密度宇宙会坍缩，而低密度宇宙会永远膨胀。分界点是临界密度宇宙，它虽然以不断降低的速度永远膨胀。因为，根据爱因斯坦的理论，宇宙的平均曲率与其平均密度有关，所以几何学和命运是联系在一起的。高密度宇宙像气球表面一样呈正弯曲，低密度宇宙像马鞍表面一样呈负弯曲，临界密度宇宙在空间上是平坦的。因此，宇宙学家开始相信，确定宇宙的几何形状将揭示其最终命运。
虚无的能量
在接下来的六十年里，宇宙项被宇宙学所摒弃（除了在 1940 年代后期提出的稳态宇宙理论中短暂地重新出现，但在 1960 年代被果断地排除）。但关于这个术语最令人惊讶的事情也许是，即使爱因斯坦在发展广义相对论后匆忙困惑地引入了它，我们现在也意识到它的存在似乎是不可避免的。在其当前的化身中，宇宙项并非来自相对论（相对论支配着最大尺度上的自然），而是来自量子力学（最小尺度上的物理学）。
宇宙项的这个新概念与爱因斯坦引入的概念截然不同。他最初的场方程，G = 8GT，将空间的曲率 G与物质和能量的分布 T联系起来，其中 G 是表征引力强度的牛顿常数。当爱因斯坦添加宇宙项时，他将其放在方程的左侧，表明它是空间本身的属性 [参见右侧的方框]。但是，如果将宇宙项移到右侧，它将呈现出一种全新的含义，即它今天的含义。它现在代表一种奇异的新形式的能量密度，即使宇宙膨胀，这种能量密度也保持不变，并且其引力是排斥性的而不是吸引性的。
洛伦兹不变性是与狭义相对论和广义相对论相关的基本对称性，这意味着只有空的空间才能具有这种能量密度。从这个角度来看，宇宙项似乎更加奇怪。如果被问及空空间的能量是多少，大多数人会说一无所有。毕竟，这是唯一直观合理的值。
唉，量子力学一点也不直观。在量子效应变得重要的非常小的尺度上，即使是空的空间也不是真正空的。相反，虚粒子-反粒子对从真空中弹出，短距离传播，然后在如此短暂的时间尺度上再次消失，以至于无法直接观察到它们。然而，它们的间接影响非常重要，并且可以测量。例如，虚粒子以可计算的方式影响氢的光谱，这已通过测量得到证实。
一旦我们接受了这个前提，我们就应该准备好考虑这些虚粒子可能赋予空的空间一些非零能量的可能性。因此，量子力学使对爱因斯坦宇宙项的考虑成为必然，而不是可选的。它不能被视为在理论上不能令人满意而被驳回。然而，问题是，对空空间能量大小的所有计算和估计都导致了荒谬的巨大值——从比可观测宇宙中所有物质和辐射的能量大 55 到 120 个数量级不等。如果真空能量密度真的那么高，宇宙中的所有物质都会瞬间飞散。
这个问题至少困扰了理论家 30 年。原则上，早在 1930 年代首次进行虚粒子效应计算时就应该认识到这个问题。但是在与引力相关的物理学以外的所有领域中，系统的绝对能量都是无关紧要的；重要的是状态之间的能量差（例如，原子基态与其激发态之间的能量差）。如果在所有能量值上都添加一个常数，它将从这些计算中消失，从而很容易被忽略。此外，当时很少有物理学家足够认真地对待宇宙学，以至于担心将量子理论应用于宇宙学。
但是广义相对论意味着所有形式的能量，即使是虚无的能量，都充当引力的来源。俄罗斯物理学家雅科夫·鲍里索维奇·泽尔多维奇在 1960 年代后期意识到了这个问题的意义，当时他对真空的能量密度进行了首次估计。从那时起，理论家们一直在试图弄清楚为什么他们的计算会产生如此荒谬的巨大值。他们推断，某种未被发现的机制必须抵消大部分真空能量，即使不是全部。事实上，他们认为能量密度最合理的值是零——即使量子虚无也应该没有重量。
只要理论家们在他们的脑海深处相信可能存在这种抵消机制，他们就可以将宇宙项问题放在次要位置。虽然它很吸引人，但可以忽略它。然而，自然已经介入。
卷土重来
第一个确凿的证据表明事情出了问题来自对宇宙膨胀速度减缓的测量。回想一下，哈勃发现遥远星系的相对速度与其到我们星系的距离成正比。从广义相对论的角度来看，这种关系源于空间本身的膨胀，由于引力吸引力，随着时间的推移，空间本身的膨胀应该会减慢。并且由于非常遥远的星系被视为数十亿年前的样子，因此膨胀的减缓应导致原本线性的哈勃关系弯曲——最遥远的星系应该比哈勃定律预测的速度更快地后退。然而，诀窍是准确确定非常遥远星系的距离和速度。
此类测量依赖于寻找标准烛光——亮度已知且足够明亮以至于可以在整个宇宙中看到的天体。 1990 年代，Ia 型超新星的校准取得了突破，据信 Ia 型超新星是质量约为太阳 1.4 倍的白矮星的热核爆炸。两个团队——由劳伦斯伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特领导的超新星宇宙学项目和由芒特斯特罗姆洛和赛丁泉天文台的布莱恩·施密特领导的 High-z 超新星搜索团队——着手使用这种类型的超新星测量宇宙膨胀的减速。 1998 年初，两个小组都做出了同样惊人的发现：在过去的 50 亿年中，膨胀一直在加速，而不是减速 [参见劳伦斯·M·克劳斯的宇宙反引力；《大众科学》，1999 年 1 月]。从那时起，宇宙加速的证据变得更加有力，不仅揭示了当前的加速阶段，还揭示了早期的减速时期 [参见亚当·G·里斯和迈克尔·S·特纳的从减速到加速；《大众科学》，2004 年 2 月]。
然而，超新星数据并不是指向某种驱动宇宙膨胀的新形式能量存在的唯一证据。我们对早期宇宙的最佳图景来自对宇宙微波背景 (CMB) 的观测，宇宙微波背景是来自大爆炸的残余辐射，揭示了大约 40 万年前宇宙的特征。 2000 年，对 CMB 在天空中变化的角度大小的测量足够好，研究人员可以确定宇宙的几何形状是平坦的。这一发现得到了一个名为威尔金森微波各向异性探测器的 CMB 观测航天器和其他实验的证实。
空间平坦的几何形状要求宇宙的平均密度必须等于临界密度。但是对所有形式物质的许多不同测量——包括冷暗物质，一种假定的缓慢移动的粒子海洋，它们不发光但确实施加吸引力——表明物质仅贡献了大约 30% 的临界密度。因此，平坦宇宙需要某种其他形式的平滑分布的能量，这种能量对局部聚类没有可观察的影响，但可以解释 70% 的临界密度。真空能量，或非常像真空能量的东西，将产生完全期望的效果。
此外，第三条推理线索表明，宇宙加速是宇宙学难题中缺失的一块。二十年来，暴胀加冷暗物质范式一直是宇宙结构的主要解释。暴胀理论认为，在宇宙的最初时刻，宇宙经历了巨大的膨胀爆发，使其几何形状变得平滑和扁平，并将能量密度中的量子涨落从亚原子尺度扩大到宇宙尺度。这一事件产生了物质的轻微不均匀分布，导致了 CMB 中观察到的变化以及今天宇宙中观察到的结构。远超普通物质的冷暗物质的引力控制着这些结构的形成。
然而，到 1990 年代中期，这种范式受到了观测数据的严重挑战。预测的物质聚类水平与正在测量的水平不同。更糟糕的是，预测的宇宙年龄似乎比最古老恒星的年龄还要年轻。 1995 年，我们两人指出，如果真空能量占临界密度的三分之二左右，这些矛盾就会消失。（该模型与爱因斯坦的闭合宇宙非常不同，在爱因斯坦的闭合宇宙中，宇宙项的密度是物质密度的一半。）鉴于真空能量的曲折历史，我们的提议至少是具有挑衅性的。
然而，十年后，一切都吻合了。除了可以解释当前的宇宙加速和早期的减速时期外，复活的宇宙项还将宇宙的年龄推到了近 140 亿年（远高于最古老恒星的年龄），并增加了恰好足够的能量使宇宙达到临界密度。但物理学家仍然不知道这种能量是否真的来自量子真空。发现宇宙加速的原因的重要性为量化真空能量的努力带来了全新的紧迫性。确定虚无重量的问题再也不能为后代搁置了。而现在，这个难题似乎比物理学家试图设计一种可以抵消真空能量的理论时更加令人困惑。现在理论家们必须解释为什么真空能量可能不是零，而是如此之小，以至于它对宇宙的影响在几十亿年前才变得相关。
当然，对于科学家来说，没有什么比这种规模、丰富性和重要性的难题更令人兴奋的了。正如爱因斯坦通过考虑狭义相对论和牛顿引力理论的不相容性而得出广义相对论一样，今天的物理学家认为爱因斯坦的理论是不完整的，因为它不能一致地包含量子力学定律。但宇宙学观测可能会从根本上阐明引力与量子力学之间的关系。正是加速框架和引力的等效性为爱因斯坦指明了方向；也许另一种加速度，宇宙加速，今天会指明方向。理论家们已经概述了一些关于如何进行的想法。
超世界
弦理论，现在通常称为 M 理论，被许多物理学家视为将量子力学与引力结合起来的一种有希望的方法。该理论的基本思想之一称为超对称性，或 SUSY。 SUSY 是自旋为半整数的粒子（例如夸克和轻子等费米子）和自旋为全整数的粒子（例如光子、胶子和其他力载体等玻色子）之间的对称性。在 SUSY 完全显现的世界中，粒子及其超对称伙伴将具有相同的质量；例如，超对称电子（称为超电子）将与电子一样轻，依此类推。在这个超世界中，此外，可以证明量子虚无将没有重量，并且真空将具有零能量。
然而，在现实世界中，我们知道不可能存在像电子一样轻的超电子，因为物理学家已经在粒子加速器中检测到它。（理论家推测，超对称伙伴粒子的质量是电子质量的数百万倍，因此如果没有更强大的加速器的帮助，就无法找到它们。）因此，SUSY 必定是一种破缺的对称性，这表明量子虚无可能有一些重量。
物理学家已经提出了破缺超对称性的模型，产生的真空能量密度比之前做出的荒谬的巨大估计值小了许多数量级。但即使是这种理论密度也远大于宇宙学观测表明的密度。然而，最近，研究人员已经认识到，M 理论似乎允许几乎无限数量的不同解决方案。尽管几乎所有这些可能的解决方案实际上都会导致真空能量过高，但有些解决方案可能会产生与宇宙学家观察到的真空能量一样低的真空能量 [参见拉斐尔·布索和约瑟夫·波尔钦斯基的弦理论景观，第 40 页]。
弦理论的另一个标志是假设存在额外的维度。当前理论在通常的三个空间维度之外增加了六个或七个空间维度，所有这些维度都隐藏起来了。这种构造为解释宇宙加速提供了另一种方法。纽约大学的乔治·德瓦利和他的合作者提出，额外维度的影响可能会作为爱因斯坦场方程中的一个附加项出现，从而导致宇宙加速膨胀 [参见乔治·德瓦利的走出黑暗；《大众科学》，2004 年 2 月]。这种方法与长期以来的预期背道而驰：几十年来，人们一直认为，寻找广义相对论及其后继理论之间差异的地方应该是在短距离，而不是宇宙距离。德瓦利的计划与这种智慧背道而驰——如果他是正确的，那么对宇宙新理解的第一个预兆将是在最远的距离，而不是最小的距离。
宇宙加速的解释可能与解决宇宙项为何如此之小的谜团或爱因斯坦的理论如何扩展以包含量子力学无关。广义相对论规定，物体的引力与其能量密度加上其内部压力的三倍成正比。因此，任何具有大的负压力的能量形式——负压力像橡皮片一样向内拉，而不是像气体球一样向外推——都将具有排斥引力。因此，宇宙加速可能仅仅揭示了一种不寻常的能量形式的存在，这种能量形式被称为暗能量，量子力学或弦理论都没有预测到。
几何学与命运
无论如何，宇宙加速的发现永远改变了我们对未来的思考。命运不再与几何学联系在一起。一旦我们允许真空能量或类似物质的存在，一切皆有可能。由正真空能量主导的平坦宇宙将以不断增加的速度永远膨胀 [参见第 66 页的插图]，而由负真空能量主导的宇宙将坍缩。如果暗能量根本不是真空能量，那么它对宇宙膨胀的未来影响是不确定的。暗能量的密度可能会随着时间的推移而上升或下降，这是有可能的。如果密度上升，宇宙加速将增加，在有限的时间后，按顺序撕裂星系、太阳系、行星和原子。但是，如果密度下降，加速度可能会停止。如果密度变为负值，宇宙可能会坍缩。我们两人已经证明，在不了解当前驱动膨胀的能量的详细来源的情况下，任何一组宇宙学观测都无法确定宇宙的最终命运。
为了解决这个难题，我们可能需要一个基本理论，使我们能够预测和分类每种可能的真空空间能量贡献对引力的影响。换句话说，虚无的物理学将决定我们宇宙的命运！找到解决方案可能需要对宇宙膨胀和其中形成的结构进行新的测量，以便为理论家提供方向。幸运的是，许多实验正在计划中，包括一个专门用于观测遥远超新星的空间望远镜，以及地面和太空中的新型望远镜，以探测暗能量对其对大规模结构发展的影响。
我们对物理世界的认识通常在创造性混乱的气氛中发展。未知的迷雾导致爱因斯坦将宇宙项视为构建静态的、马赫宇宙的绝望解决方案。今天，我们对宇宙加速的困惑正在推动物理学家探索每一种可能的途径，以了解驱动加速的能量的本质。好消息是，尽管许多道路可能通向死胡同，但这个深刻而令人困惑的谜团的解决最终可能会帮助我们将引力与自然界的其他力统一起来，这正是爱因斯坦最美好的愿望。
作者
劳伦斯·M·克劳斯 和 迈克尔·S·特纳 是最早论证宇宙受宇宙项支配的宇宙学家之一，该宇宙项与爱因斯坦引入然后否定的宇宙项截然不同。他们 1995 年对宇宙加速的预测在三年后被天文观测证实。克劳斯是凯斯西储大学宇宙学和天体物理学教育与研究中心主任，还撰写了七本畅销书，包括 2005 年 10 月出版的《隐藏在镜子中：额外维度的神秘魅力》。特纳是芝加哥大学劳纳杰出服务教授，现任国家科学基金会数学和物理科学助理主任。