宇宙学常数是物理学最令人尴尬的问题

在每一片虚无中，都存在着某种东西。如果你放大空旷的空间，并移除所有的行星、恒星和星系，你可能会期望得到纯粹的真空，但你就错了。相反，你会发现一个动态的景象，粒子在其中闪现生命，又几乎立即消失。

量子力学，这门支配着无限小世界的理论，不允许虚无的存在。在任何给定的时间和空间中，能量永远不可能完全为零——总有一些回旋的余地。从这种回旋余地中，“虚粒子”可以产生——具体来说，是由一个粒子和它的反粒子组成的一对，它们会互相湮灭，并像它们出现时一样迅速消失。尽管这可能看起来很奇怪，但实验人员已经观察到了虚粒子的真实世界效应。当粒子加速器首次测量Z玻色子的质量时，它与纯质量略有偏差，因为它有时会变成一个虚的顶夸克——这是证明虚粒子存在的众多观测结果之一。

所有这些粒子晃动着出现和消失的效果是一种震动的“真空能量”，它充满了宇宙，并向外推动空间本身。这种活动是对暗能量最可能的解释——宇宙加速向外扩张，而不是保持静态，甚至以稳定的速度扩张的原因。

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真空能量的问题在于它不够多。当科学家们最初开始思考这个概念时，他们计算出这种能量应该是巨大的——它应该如此有力且迅速地扩张宇宙，以至于永远不会形成恒星和星系。由于情况显然并非如此，宇宙中的真空能量必须非常小——比量子理论预测的小约120个数量级。这就像说一个重五磅的东西实际上应该重五磅，后面还要加上120个额外的零。这种差异促使一些科学家称真空能量为“物理学史上最糟糕的理论预测”。

真空能量被认为是“宇宙学常数”的主要成分，“宇宙学常数”是广义相对论方程中的一个数学术语。预测的真空能量量与测量的能量量之间的巨大差异通常被称为宇宙学常数问题。“它通常被认为是当今理论物理学中最尴尬、最棘手、最困难的问题之一，”英国诺丁汉大学的物理学家安东尼奥·帕迪拉说，他花了近二十年的时间试图弄清楚这个问题。“这表明我们的故事中缺少了某些东西。我发现这很令人兴奋——你为什么不想研究它呢？”

这个谜题吸引了一些物理学界最伟大的头脑，并引发了大量解决它的想法。2020年1月，纽约大学物理学家格雷戈里·加巴达泽在布朗大学物理系的演讲中，花了一个小时总结了理论家们迄今为止提出的所有概念。最后，一位听众问他，他最喜欢哪个想法。“没有一个，”加巴达泽回答道。他说，这些想法都太“激进”了，而且都需要“放弃神圣的原则”。

但一些物理学家表示，新的理论工作正在为这个难题注入兴奋感。最近在探测引力的精密实验室实验以及引力波天文学的出现，为一些拟议的解决方案最终可以进行实验检验——或者至少可以排除——提供了希望。

问题的诞生

宇宙学常数有着曲折的历史。“你可以称之为非问题的非解决方案，”安大略省珀里米特理论物理研究所的物理学家拉斐尔·索金说。阿尔伯特·爱因斯坦在1917年首次发明了它，作为一种数学上的权宜之计，迫使他的广义相对论场方程预测一个静态宇宙，因为他和当时的大多数科学家都认为宇宙是静态的。但在1929年，天文学家埃德温·哈勃测量了许多星系的速度，并惊奇地发现，它们都在远离我们——事实上，星系越远，它移动得就越快。他的测量表明，空间正在各处扩张，无论你朝哪里看，都会感觉好像所有的星系都在后退，因为所有事物之间的距离都在不断增长。面对这个消息，爱因斯坦几年后决定从他的方程中删除宇宙学常数，根据物理学家乔治·伽莫夫的说法，他称之为“我一生中最大的错误”。

有一段时间，宇宙学常数只是历史的脚注，但它正在悄悄地为复出做准备。在20世纪90年代后期，两组天文学家竞相测量宇宙的膨胀由于引力向内拉物质而减缓了多少。在1998年和1999年，他们根据对特殊超新星的测量结果发表了他们的结果，这些超新星的距离可以非常精确地确定。事实证明，这些超新星中最遥远的要比预期的暗得多，因此也远得多。膨胀根本没有减缓——它正在加速。这一令人震惊的发现为该团队的三位领导者赢得了诺贝尔奖，并促使宇宙学家迈克尔·特纳为导致加速的神秘力量创造了“暗能量”一词。物理学家立即提出，暗能量的来源可能是宇宙学常数——换句话说，真空能量。“也许爱因斯坦的错误比普通凡人的最好努力更有洞察力，”加速的发现者之一索尔·珀尔马特后来写道。

尽管宇宙学常数允许科学家再次平衡爱因斯坦场方程，使其像天文学家观察到的那样预测一个加速的宇宙，但常数值却说不通。它实际上使一个困扰科学家一段时间的问题变得更糟。在常数被搁置的那些年里，物理学家们已经将广义相对论中的这个术语与量子力学中的真空能量概念联系起来。但真空能量应该是非常巨大的。

最早注意到情况有些不对劲的人之一是物理学家沃尔夫冈·泡利，他在20世纪20年代发现，这种能量应该非常强大，以至于宇宙应该已经膨胀到远远超过光可以穿越其中任何物体之间距离的点。泡利计算出，整个可观测宇宙“甚至无法到达月球”。据报道，他对自己的估计感到好笑，当时没有人认真对待它。第一个根据量子理论对真空能量的预测正式计算宇宙学常数值的是物理学家雅科夫·泽尔多维奇，他在1967年发现，这种能量应该使宇宙学常数变得巨大。但当时，科学家们认为宇宙正在以稳定或减缓的速度膨胀，而且大多数人认为宇宙学常数为零。宇宙学常数问题由此诞生。

三十年后，当天文学家意识到宇宙的膨胀正在加速时，问题并没有消失。尽管当时的加速量令人震惊，但与量子理论所说的应该达到的水平相比，仍然微不足道。在某种程度上，复活宇宙学常数使困境变得更糟。试图想象为什么常数可能精确地变为零是一回事。更难理解的是，为什么它可能仅仅比零稍大一点。“它的价值非常奇怪，”德克萨斯大学奥斯汀分校的理论物理学家凯瑟琳·弗里斯说。“甚至比零更奇怪。”

并非所有人都认为这是一个需要解决的问题。德国慕尼黑数学哲学中心的理论物理学家萨宾·霍森菲尔德说，宇宙学常数在技术上只是一个自然常数，是方程中的一个数字，可以取任何值。它具有现在的价值只是一个数字上的巧合。“你可以直接取这个常数并完成它，”霍森菲尔德说。“所有关于它为什么具有现在的价值的争论都不是科学的好问题，”她说。当量子场论的预测与天文测量结果不符时，量子场论没有任何东西被证伪，而且该理论仍然像以往一样有用。“我认为宇宙学和天体物理学界的大多数人认为这是一个问题，因为他们长期以来一直被告知是这样的。”

然而，许多物理学家无法释怀。宇宙学常数出乎意料的小是一个需要拉动的线头。“它让我很困扰，”加巴达泽说，“我想要一些答案。”

理论泛滥

尽管许多物理学家热衷于解决这个问题，但进展速度一直令人沮丧地缓慢。“自从泽尔多维奇真正指出问题所在以来，已经过去了50多年，而且肯定没有既定的、公认的解释，”帕迪拉说。“想法来来去去，但通常很少有坚持下来的。”

大多数针对宇宙学常数问题的拟议解决方案分为三类：改变描述宇宙膨胀的广义相对论方程，修改预测真空能量量的量子场论方程，或者在混合物中加入全新的东西。

调整广义相对论可能会改变宇宙学常数所起的数学作用——或者完全将其删除。例如，弗里斯和她的同事试图通过改变广义相对论计算应用于膨胀宇宙的方式，来消除对常数解释宇宙加速的需求。“如果物质和光子在方程中的作用不同，那么它们可能就足够了，而无需向宇宙添加任何新的成分，”她说。她的模型基于这样的想法，即超出我们所见的三个空间维度和一个时间维度的额外维度可能隐藏在视线之外。

更新广义相对论的另一个角度称为隔离，由帕迪拉和他的同事提出。他们以一种密封引力的方式修改了爱因斯坦的理论，使其无法感受到真空能量的影响。“我不会假装这是既定的模型，”帕迪拉补充说，“但没有人能够排除它。”

然而，如果广义相对论不是问题所在，那么问题可能出在量子力学上。一些理论家认为，量子场论计算真空能量的方法是错误的。德国莱比锡大学的斯特凡·霍兰兹和他的同事对将常规量子方程应用于弯曲时空提出异议，称它们的设计考虑了平坦空间。他们认为，如果物理学家能够正确地修改它们以适应弯曲空间，宇宙学常数问题就会消失。

但解决方案可能需要的不仅仅是数学上对传统方程进行微调。一个非正统的想法是加州大学戴维斯分校的史蒂夫·卡利普提出的，即时空从根本上是由“泡沫”构成的。在这种图中，空间的曲率会在极小的尺度上不断波动，远远超出我们希望测量的任何范围。所有这些复杂的拓扑结构都会抵消宇宙学常数的很大一部分影响，使其在局部水平上非常小。“这有点像一个疯狂的想法，”卡利普说。“这是一种绝望的措施，但每一种处理宇宙学常数的尝试都是绝望的，现在是绝望的时期。”

索金说卡利普的时空泡沫“朝着正确的方向前进”，他也在这个领域有自己的贡献。他致力于一种统一量子力学和引力的方法，称为因果集理论。根据这个模型，时空从根本上来说是离散的——这意味着它不是一个平滑、连续的广阔空间，而是被分解成微小的块，即空间和时间的单个单元，它们代表宇宙的构建块，就像原子是物质的构建块一样。如果是这种情况，那么计算宇宙学常数就需要除以宇宙中时空单元的数量，从而得到一个更接近天文学家观察到的值。

最突出——并且在某些人看来最令人憎恨——的宇宙学常数问题解决方案之一被称为人择原理。这种思路认为，我们宇宙中的宇宙学常数具有不太可能的价值，但通过说我们生活在一个多元宇宙中来解释它。如果我们的宇宙只是宇宙海洋中的一个气泡，每个气泡都有不同的物理定律和常数，那么必然会有一个具有这个值的气泡。大多数其他气泡不会产生具有星系、恒星、行星或生命的宇宙，因此我们发现自己身处其中一个异常值中是理所当然的。由于弦理论需要多元宇宙，弦理论家倾向于认为宇宙学常数问题基本上已通过这种推理得到解决。然而，其他物理学家认为这种哲学是一种逃避责任。“这是放弃了这个问题，”索金说。

所有这些策略都倾向于涉及对既有物理学的相当大的修正。“它们中的每一个都要求对基本原理进行重大改造，例如时空，或者宇宙的维度数量，”加巴达泽说。“它们在某种程度上都是令人厌恶的。”没有一个理论明显优于其他理论。“在这一点上，这变成了一个品味问题，”卡利普说。“可能答案是没人想到的东西。”

常数还是精质？

宇宙学常数仍然是对暗能量——导致空间膨胀加速的神秘力量——的最佳解释。但是，如果暗能量实际上与宇宙学常数或真空能量根本无关呢？如果宇宙的真空能量以某种方式完全抵消，并且宇宙学常数为零呢？在这种情况下，暗能量可能是被称为精质的东西在起作用。

物理学家罗伯特·考德威尔、保罗·斯坦哈特和拉胡尔·戴夫在1998年提出了精质的概念，作为对宇宙加速膨胀的另一种解释。精质将是整个空间中具有负压力的某种形式的能量。与宇宙学常数相反，精质可能会随时间变化。精质的一个版本，称为幽灵能量，假设一种能量，其密度随着宇宙年龄的增长而增加，导致最终的“大撕裂”，届时空间将被失控的膨胀撕裂，直到粒子之间的距离变得无限大。

为了测试暗能量是由精质还是宇宙学常数引起的，科学家必须确定暗能量的强度是否随时间变化。各种项目一直在收集关于不同宇宙时期空间膨胀率的数据。一个例子是暗能量调查，这是一项为期六年的工作，旨在使用智利的维克托·M·布兰科望远镜绘制天空大片区域中许多距离处的星系。科学家们仍在分析这项调查的数据，但他们已经看到了一些微小的迹象表明暗能量可能实际上不是恒定的。找出精质是否真实存在的另一种方法是寻找证据，证明这种能量导致自然基本常数随时间变化。尚未出现常数不恒定的迹象。

在未来几十年中，实验应该让科学家们更好地了解宇宙学常数（以及其背后的真空能量）是否是暗能量的来源。计划于2025年在智利正在建造的望远镜上开始的维拉·C·鲁宾天文台遗产空间和时间巡天应该会显着提高当前宇宙膨胀历史测量的精度。很快，科学家们应该能够更清楚地说明数据中是否有精质的空间，或者是否有一种不变的力量一直在起作用。

时空涟漪和中子星

如果正如迄今为止的证据似乎表明的那样，暗能量确实是宇宙学常数的结果，那么仍然希望理清对其意外微小的各种拟议解释。即将到来的实验和天文观测可能会提供一种区分大量理论的方法，淘汰一些理论，并且有可能为其他理论提供支持。

八年前，当科学家们开始探测到引力波时，他们获得了研究宇宙的全新视角，引力波是黑洞和中子星等巨大质量碰撞产生的时空涟漪。美国的LIGO（激光干涉引力波天文台）和欧洲的Virgo等引力波天文台现在定期发现宇宙灾难产生的波，这些波可能有助于探测真空能量的性质。一些解决宇宙学常数问题的尝试依赖于对广义相对论的改变，这将导致引力传播速度略低于光速。引力波似乎与来自同一事件的光同时到达的事实已经否定了这个想法，已经排除了几个理论。“我们在[2012年]有一个名为Fab Four的模型，旨在解决宇宙学常数问题，”帕迪拉说。“我已经开始怀疑它了，但引力波数据扼杀了它。”

引力波也揭示了中子星内部的奇怪活动。这些超新星的致密残余物非常致密，以至于原子已经坍缩，它们的质子和电子碰撞在一起，形成几乎纯中子的质量。这种奇异状态产生了奇怪的现象——例如，中子星的核心可能包含一种新型物质相，这将导致其内部的真空能量量发生跳跃。引力波天文台可能对这里额外真空能量的引力效应敏感，从而有可能揭示有关真空能量性质的秘密。

虽然天体物理学实验在宇宙尺度上寻找线索，但更接近家园的实验也可能帮助研究人员梳理宇宙学常数假设。探测尽可能小距离的宇宙的实验室装置可能对物理学家正在提出的一些广义相对论的改变敏感。

一个例子是华盛顿大学的Eöt-Wash小组的工作，该小组的科学家使用极其灵敏的平衡实验对引力进行了精确测试。他们的仪器被称为扭秤：一个带有孔洞的金属圆盘从一根细线上悬挂下来，下面有一个类似的圆盘，以恒定速度旋转。这两个圆盘的距离类似于一张纸的宽度，并且随着底部圆盘的旋转，其引力会导致顶部圆盘来回扭转。

这种极其灵敏的实验使研究人员能够跟踪引力在小至千万分之一米的尺度上的行为。如果引力在如此近的距离处减弱，正如一些想法所暗示的那样——或者如果额外的、微小的空间维度在那里可以辨别出来——Eöt-Wash团队将会发现它们。到目前为止，引力在他们的测试中一直遵循牛顿和爱因斯坦定律，并且没有看到隐藏的维度，但科学家们一直在调整他们的仪器以探测不同的相互作用。即使该小组从未检测到影响真空能量的偏差，这也不一定是结论性的：这种变化可能只发生在超出我们范围的距离处。

“我们将继续尝试，”加巴达泽在谈到用实验测试宇宙学常数假设的尝试时说。“自1960年左右以来，每一代物理学家都看到了新的解决方案出现。也许有一天，其中一些解决方案将具有可以测试的观测预测，但在这一点上我们还没有到达那里。”尽管这个谜题很困难，但他和其他物理学家仍然希望很快找到解决方案。也许这些理解宇宙学常数问题的努力将揭示关于量子物理学和广义相对论更深层的真理。或者，也许科学家们会发现一个更简单的解决方案。即使在他们寻求可能永远无法实现的解决方案的同时，许多物理学家也陶醉于这一探索。