蒼茫宇宙，誰主沉浮？暗能量、愛因斯坦的錯誤和宇宙的命運

香港科技大學，副教授

理論物理所所友（05級碩博連讀研究生）

知名科普作家

知乎科研話題優秀答主，知乎ID: 王一

什麼是暗能量 [1]？回答這個問題之前，先請問大家一個問題：引力總是吸引的嗎？

自從三百多年前的牛頓時代，自從蘋果落地的故事起，我們就知道 “萬有引力”—— 那種萬物之間，都互相吸引的力。後來，愛因斯坦的引力理論，廣義相對論，也認為對正常物質而言，引力是吸引的。但是，1998年，宇宙學家通過觀測顛覆了“引力總是吸引的”這個觀點。

觀測表明，遙遠的天體正在加速逃離我們。什麼是“加速逃離”呢？

比如從地球上發射一枚火箭，當火箭發動機關閉，不再有推力的時候，就算火箭能逃離地球，由於火箭受到地球引力作用，也應該是減速逃離地球的。假如自由運動的火箭能加速逃離地球，恐怕地球與火箭之間的萬有引力就變成排斥力，也就是“反引力”了。

當然，我們目前還沒有任何辦法反轉地球引力。但是如果把宇宙和遙遠天體之間的關係類比做地球和火箭的關係的話 [2]，宇宙學觀測告訴我們，宇宙並沒有為遙遠的天體提供吸引力。恰恰相反，宇宙正在給遙遠的天體施加排斥力，讓這些天體彼此加速遠離。

宇宙是通過什麼東西給遙遠的天體施加排斥力，驅趕天體加速遠離，也就是驅動宇宙的加速膨脹呢？這種驅動宇宙加速膨脹的東西，我們不知道它是什麼。但是，既然知道它驅動宇宙加速膨脹的效用，就給它起一個名字，叫“暗能量”。

我們常説，“世界是原子組成的”。但是，按能量成分來算，現在宇宙中的暗能量，比我們熟悉的所有原子物質加起來，還多十多倍。

既然暗能量是推動宇宙加速膨脹的“東西”，那麼這東西到底是什麼呢？現在，我們還不知道暗能量到底是什麼。但是，我們知道一些可能能解釋暗能量的理論，以及這些理論為什麼會給整個基礎物理帶來大麻煩（也是大機遇）。下面我們就談談這些理論和問題。

宇宙常數

目前最簡單，也最符合觀測的暗能量模型，是愛因斯坦當年手欠的結果。他想多了，為他的理論強行加戲，後來，他為自己的手欠懊悔不已。但是，他逝世後幾十年，這個手欠的幽靈，卻又回來了。

讓我們回到1917年，也就是愛因斯坦提出廣義相對論兩年之後。他把廣義相對論用到宇宙上，奠定了現代宇宙學的理論框架。不過，愛因斯坦夢想中的宇宙是永恆不變的，而他從廣義相對論中解出的宇宙，不是膨脹就是收縮。這就好比向上扔出一個小球，小球不是上升就是下降，不會一直靜止在空中不動一樣。為了讓他的宇宙模型像他想得那樣美，愛因斯坦人為地在他的引力方程中加入了一個用來穩定宇宙的排斥力，這個排斥力叫做“宇宙常數”。

愛因斯坦對美的追求，帶給了他狹義相對論、廣義相對論。但是，這次，他錯了。

1920年代，哈勃等人發現了宇宙的膨脹。愛因斯坦感覺很是懊悔。因為如果他當年沒有手欠，在他的方程中加一個宇宙常數項，那麼他1917年就可以從理論上預言宇宙膨脹了。1931年，愛因斯坦放棄了宇宙常數假説，並且聲稱，在他的引力理論中加上宇宙常數，是他一生所犯的最大的錯誤。1931年愛因斯坦造訪美國期間，他還特地前往威爾遜山天文台造訪哈勃，讚賞哈勃的發現，奠定了觀測宇宙學的基礎。

之後的故事，相信大家能猜到了。1998年，宇宙加速膨脹的發現，最簡單的解釋，就是把愛因斯坦的宇宙常數項請回來。當時愛因斯坦是用宇宙常數讓宇宙保持靜止。現在把宇宙常數調大一點，宇宙裏有了更大的斥力，不就可以加速膨脹了嗎。於是，愛因斯坦最大的錯誤，又成了近年來宇宙學最大的發現。

關於暗能量本質的其它猜測

用宇宙常數來解釋暗能量，看起來很美。但是量子力學天生（儘管也算是愛因斯坦生的）和愛因斯坦不對付。考慮了量子力學之後，用宇宙常數來解釋暗能量就看起來很扯了。這個事我們一會再扯。

既然宇宙常數解釋存在缺陷，各種暗能量模型像雨後（有些也是雨前）春筍一樣冒了出來。中國科學院理論物理研究所也是暗能量研究的重要基地之一。限於篇幅，這裏我們只描述幾句這些模型的大概長相（詳見我們的綜述 [3]）。

比如説，愛因斯坦的廣義相對論是不是到宇宙尺度就不對了呢？比如説宇宙那麼遠的距離上，引力就消失了，甚至反轉了？比如説，宇宙常數是不是可以由動力學更豐富的標量場代替？比如説，暗能量背後有沒有更暗的仔，在宏觀調控着宇宙中暗能量的大小？比如説，是不是可以通過量子引力中的全息原理，三維空間和二維空間的關係來推導暗能量？比如説，暗能量的大小是否和宇宙年齡密切相關？比如説，暗能量的大小是否和人的存在有關？最後這個問題叫人擇原理。最後我們還會回到這個問題上來。在此之前，我們先聊聊暗能量為什麼這麼重要。

暗能量為什麼是個重要問題？

這個世界上最終極的三個問題，和你到一個陌生小區門口，門口的保安問你的問題沒什麼區別：你是誰？你從哪裏來？你到哪裏去？宇宙又是這個世界上最終極的存在。於是，宇宙的命運，宇宙將走向何方？無疑是科學界的終極問題之一。這個問題的答案，宇宙的命運，就掌握在暗能量的手上。

暗能量推動宇宙中的天體加速逃離。那麼，天體都逃走了（更準確的説，逃出視界），宇宙中還剩什麼呢？基本上就只剩下暗能量自己。所以宇宙的命運，取決於暗能量怎麼折騰。

在未來千億年裏，如果暗能量大致表現得像個宇宙常數（如觀測顯示的），那麼，我們可觀測宇宙中的上千億星系幾乎都會加速逃出我們能觀測的範圍（視界）。最後，我們銀河系只和本星系羣的幾十個星系通過引力抱團沒有走散，孤苦伶仃，互相廝守在這個曾經擁有上千億星系的可觀測宇宙範圍內。

這樣的宇宙，正如人生。當你從小長大，你的眼界（對應宇宙的共動視界）擴展，彷彿人生有無盡可能。而當你從大變老，你的眼界收縮，人生的可能一個又一個離你而去，歸於確定、人生凋零，一如永恆的終結。“最是人間留不住，朱顏辭鏡花辭樹。”

但是，如果我們的眼光不侷限於未來上千億年，而是問一個真正終極的問題，是否有永恆、是否有終結？那麼，宇宙常數好比一條鋼絲，恰好是宇宙不同命運的界限。暗能量哪怕一點點精微奧妙的偏差，也會影響宇宙的終極命運。我們剛好會行走在鋼絲上嗎？還是終究會滑向一方？三種可能，我們還不知道哪個是對的。

如果暗能量恰好是宇宙常數，愛因斯坦提出的那種，那麼宇宙的命運就像宇宙常數這個名字一樣，永遠永遠加速膨脹。我們本星系羣即使可以抱團，最終也像温水煮青蛙一樣，被永恆加速的宇宙侵蝕、肢解。最終的宇宙就彷彿這樣的一鍋温水（温度約10的負30次方開爾文），偶爾飄過些許漣漪。而如果你願等夠遠（10的(10的(10的100次方))年，即量子彭加萊迴歸時間），或有一天，漣漪再瀲，經典重現，宇宙如你初見。

如果暗能量未來會比宇宙常數更弱，宇宙的温度將無限降低，再沒有能量補充宇宙膨脹的消耗。宇宙將終結於大凍結。宇宙無死期，只是漸凋零。

如果暗能量未來會比宇宙常數更強，宇宙的加速將越發瘋狂，最終，在一個有限的時間，暗能量的大小，和宇宙膨脹的速度都趨於無窮，宇宙終結於大撕裂。一切將被宇宙膨脹肢解。

上面的三種可能，以及其中還能再分成各種細緻的可能性，哪個是宇宙真正的終結？現在我們對暗能量的瞭解，無論理論上還是觀測上，都還不足以給出一個回答。

故事講到現在，我們都還在討論，對於暗能量問題，我們知道了什麼，又猜測了什麼。不過，對於暗能量問題，我們不知道的遠遠比知道的多。那麼，暗能量問題到底是個什麼問題？這裏，我們用波爾欽斯基 [4] 的提法，將暗能量問題一分為三：

為什麼暗能量的能量這麼少？

早在1920年代，物理學界的吐槽大師泡利，就已經意識到暗能量是個問題了。

泡利意識到，真空中的量子漲落可以藴含巨大能量（場的零點能）。這些能量可以讓時空過度彎曲，例如讓宇宙瞬間坍縮。正如泡利所説，“這樣的宇宙甚至達不到從地球到月亮那麼大”。

過大的量子能量為什麼會導致宇宙的坍縮呢？因為時空是萬事萬物發生的舞台。再具體點，時空好比舞台的地板。我們踩到地板上，地板稍稍彎曲一點，為我們提供支持力。但是，如果房間裏忽然來了一頭大象，由於它太重，恐怕就要把地板踩壞了。這樣，宇宙就坍縮了。

聰明的你或許會説，沒關係，我們不是有宇宙常數提供排斥力嗎？好比既然大象太重，我給大象身上綁滿氫氣球，是不是就踩不壞地板了？

但是，由於這頭大象實在太重了，你要往大象身上綁10的120次方個氫氣球，才能讓大象不踩壞房間裏的地板。少一個也不行，多一個也不行（要不然大象飛起來撞壞天花板）。量子真空能和宇宙常數，就好比大象和氫氣球，兩者能量密度（好比重量）的前120位數字全都能消掉，剛好留下第121位數，讓大象不踩壞地板，也不撞壞天花板。這就是驅動宇宙加速膨脹的暗能量。比如説，大象的重量是

10的120次方個氫氣球提供的升力是

兩個數前120位數字都相等，到第121位才出現區別。

怎麼會有這麼巧的事情？宇宙怎麼“知道”剛好要綁這麼多氫氣球，一個不多一個不少？這就是用宇宙常數解釋暗能量帶來的巧合問題，或者説精細調節問題。

不過，由於缺乏實驗觀測，從泡利提出真空能問題以來的70多年，直到宇宙加速膨脹發現之前，這個巧合問題對多數人而言，正如同房間裏的大象一般被無視；而對少數意識到問題的人，也只是曲高和寡的清談。

為什麼暗能量的能量不為零？

一個小得令人吃驚的數，等於零通常比不等於零更容易解釋。比如為什麼我身上沒錢？可能是因為我出門從不帶錢包。可是，如果我每次出門都帶上兩分錢，恐怕就比較奇怪了。

暗能量也是一樣。這麼少的暗能量，恰恰還不是零，因為在宇宙加速膨脹中看到了它在發揮作用。這比沒有暗能量還要難解釋很多。所以，宇宙加速膨脹（暗能量很少但是並不為零）的發現，讓我們一頭撞到了房間裏的大象身上，再也沒辦法無視暗能量的存在，而我們對暗能量的解釋，則又像盲人摸象一樣（但願還是摸到了一點吧），眾説紛紜。

為什麼目前暗能量的能量密度和暗物質、原子物質都差不多？

在宇宙的不同階段，物質和暗能量的比例此消彼長。比如宇宙剛誕生38萬年的時候，也就是宇宙中第一束光開始自由傳播的時候，按能量密度，暗能量只有暗物質、原子物質的億分之一。而幾千億年後，我們的視界內只有本星系團的時候，暗能量又比暗物質、原子物質多億倍了。為什麼我們現在剛好處於暗能量、暗物質、原子物質三足鼎立的時代？而這個時代剛好是智慧生命可以進行宇宙學觀測的最佳時代 [5]？

這或許是個巧合吧。畢竟，我們不想把我們的存在過多糾纏於科學推理之中。但是，一會我們再説，我們的存在，或許也有點關係。

暗能量是物理學中最困難、最深刻的問題之一，甚至就是最困難、最深刻的那個問題。為什麼暗能量這麼難？實在很難通過一篇科普，來講清楚暗能量的困難所在。這好比，體會一道菜多難做，比嘗一嘗這道菜多好吃，要困難得多。更何況離我們生活更遠的宇宙學呢？但是，還是讓我嘗試解釋一下，為什麼暗能量這麼難。

還是用大象身上綁氣球的例子。就姑且假設，宇宙就“知道”，就“故意”往大象身上綁足夠多的氣球來抵消大象的重量，一個不多，一個不少。但是問題是，大象的重量和氣球的數量，總要在宇宙誕生之初就定下來吧？但是，宇宙演化的過程（例如電弱對稱性自發破缺），是可以改變氣球的數量的。也就是説，為了讓氣球剛好在現在抵消大象的重量，宇宙不但要“知道”在宇宙誕生之初大象多重，還要會“計算”宇宙的演化會減少多少氣球，以便在宇宙誕生之初，就綁剛好正確數量的氣球在大象身上，讓今天（而不是宇宙誕生之初）的氣球抵消大象的重量。要在物理學中構造出這麼“聰明”的宇宙學模型，何其難也！

這還只是困難的開始。各種物理定律和結論，例如“等效原理”、“蘭姆位移”等等，都跑過來給暗能量設立額外的規則（參見 [4]）。因為一個自洽的物理理論，是不能與任何已知現象矛盾的。這些規則放到一起，讓解釋暗能量的大小，變成了一個幾乎不可能完成的問題。（當然，我希望，這只是我們不夠聰明而已。）

剛好，在這個節骨眼上，一些弦論學家（研究引力和量子力學統一理論的專家）前來推波助瀾。他們傾向於認為可能存在多個宇宙，其中每個宇宙裏暗能量的大小可以是不同的。

假如這些弦論學家是對的，存在多個宇宙，每個宇宙裏暗能量的大小都不同，那麼，我們又不能控制我們生在哪個宇宙裏面，當然解釋不了我們宇宙中的暗能量大小啦。所以，多宇宙給了我們一個冠冕堂皇的“投降”的理由。

等等，我們真不能控制我們生在哪個宇宙裏面嗎？起碼不會是那些瞬間坍縮的宇宙吧？起碼不會是瞬間撕裂的宇宙吧？我們只能生在一個適合人類生存的宇宙當中。（或許）只有這樣的宇宙當中，才有智慧生命能問這樣的問題。所以，我們作為問了這個問題的智慧生命，生在一個大象身上綁10的120次方個氣球的宇宙，好像還挺自然的。這個更體面的“投降”聲明，叫做人擇原理 [6]。

雖然，人擇原理比“不知道”稍稍強一點，畢竟還是根據多宇宙的假設，建立在“我們沒法計算暗能量的大小”的基礎上的。也就是説，如果相信人擇原理，我們就放棄了用傳統物理學方法解釋暗能量的努力。更壞的是，憑什麼多宇宙中只有暗能量的值不同呢？其實，弦論裏面的多宇宙模型，不同宇宙裏很多物理常數的值都可以改變。我們放棄解釋暗能量的同時，也放棄瞭解釋所有這些物理常數，例如泡利至死都無法釋懷的137。這樣，我們放棄的可不止是一個暗能量，還有基礎物理裏面的很多夢想。

暗能量問題，就彷彿這個世代的斯芬克斯之謎。或許我們不得不放棄解答，眼看着怪獸吞下基礎物理的大片疆域。但我更盼着有一天，聰明的你解開這個謎，讓怪獸掩面跑開，讓物理學走進新時代。

[1] 這裏一個常見的問題是，暗能量和暗物質有什麼區別？它們都有一個“暗”字，就是説它們都不發光，我們也不理解它們到底是什麼。但是，暗物質的萬有引力性質與普通物質一致。而暗能量連引力性質都與普通物質不一樣。

[2] 宇宙-遙遠天體的關係，和地球-火箭的關係，其實不僅僅是個類比。對感興趣的讀者，這裏給出幾點註解：(a) 在利用牛頓力學推導弗萊德曼方程的過程中，宇宙-遙遠天體的關係，和地球-火箭的關係，遵循的方程是完全相同的。(b) 牛頓力學不能處理壓強導致的引力。而引力可能體現出排斥的性質，和壓強有關。在廣義相對論中，宇宙加速膨脹是因為壓強是負的，並且絕對值非常大，破壞了“強能量條件”，也就是説“引力會吸引物質”這個條件的破壞。(c) 你可能會問：既然暗能量能實現反引力，在飛船上綁一塊暗能量是不是就能反引力飛行了？可惜暗能量是均勻分佈於宇宙中的。目前還沒發現“一塊暗能量”這樣的事情。成塊、結團的暗能量或許是不可能存在的；或者即使暗能量的團塊存在，這些團塊也未必與暗能量的整體有同樣的引力性質。暗能量能成團與否，以及如果成團，性質如何，與具體暗能量模型有關，現在還沒有定論。

[3] 參見 Dark Energy, Xiaodong Li, Miao Li, Shuang Wang, YW, Peking University-World Scientific Advanced Physics Series: Volume 1, Holographic Dark Energy, Shuang Wang, YW, Miao Li, Physics Reports, 696, 1, 2017.

[4] 參見 The Cosmological Constant and the String Landscape, Joseph Polchinski, arxiv.org/pdf/hep-th/0603249.

[5] 因為這時宇宙中包含最多關於宇宙起源的信息。參見 The End of Cosmology, Lawrence M. Krauss and Robert J. Scherrer, Scientific American 2008.

[6] 人擇原理並不是暗能量發現後才提出的。早在1957年，Dicke就討論了一些關於人擇原理的問題。一些物理常數的選取，剛好能容納人存在，看起來是個巧合。不過考慮到，如果這些常數取別的值，不能容許人存在，那麼，就沒人問“物理常數選取”這個問題了。這就是人擇原理。但是，宇宙加速膨脹的發現，和絃景觀模型的提出，確實把很多人趕到了人擇原理這條路上。弦景觀模型是基於弦理論的“多宇宙”理論，其認為弦論裏有數以10的100次方計的解（甚至更多），而早期宇宙的“永恆暴脹”猜想，則能物理上實現這些解。既然我們有10的100次方種選擇，裏面只有極少數適合人存在，所以人可以問“暗能量是什麼”這樣的問題，那麼這個10的120次方的精細調節也就不是那麼不自然了。但是，人擇原理不僅讓我們放棄用傳統方法解釋宇宙常數問題，也為我們提出了很多新問題。這些問題甚至超出了物理學的範疇。例如，與之相關的玻爾茲曼大腦問題，逼迫我們問自己，我們是典型的觀測者嗎？（例如，我們生活在地球人口最多的時代嗎？地球又是宇宙中智慧生命最多的星球嗎？）等等。

本文改編自知乎回答

來源：中國科學院理論物理研究所

中國科學院理論物理研究所

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