01宇宙學常數提出的背景

宇宙學常數,最早由愛因斯坦提出。一個多世紀以前,愛因斯坦提出了一組方程,稱為愛因斯坦場方程,這個方程成為了廣義相對論的框架,它解釋了物質和能量是如何扭曲時空的,在當時,愛因斯坦認為,宇宙是固定不變的,並且星系之間的相對空間位置是不會改變的。當他將廣義相對論應用於整個宇宙時,他的理論預測到宇宙會膨脹和收縮,為了迫使宇宙處於靜止狀態,愛因斯坦在他提出的方程中加入了宇宙學常數。
02宇宙學常數真的是錯誤嗎
1929年,哈勃發現了宇宙在膨脹之後,這個結果迫使愛因斯坦承認了自己的錯誤,並放棄了宇宙學常數。但是,後來科學家們發現宇宙在加速膨脹之後,又重新引入了宇宙學常數。
03宇宙學常數是研究暗能量的基礎
事實上,宇宙學常數是一種空間本身攜帶的能量密度,在愛因斯坦的廣義相對論中產生一種排斥性的引力。當空間膨脹時,暗能量越來越多,相比越來越稀疏的物質產生的引力,斥力越來越強。粒子物理學家也許可以給它提供一個起源,那就是在充滿不確定性的量子真空中,不斷翻騰著、生成又幻滅的虛粒子。問題是,這些粒子看起來能量有點高了,大概是10的120次方焦耳/立方千米。
這種災難性的差異為其他替代理論創造了空間。暗能量可能是瀰漫於空間的某種能量場,隨著時間的推移,甚至可能在某些地方凝聚。它可能是某種在長距離上呈現斥力的引力形式。在一種理論裡,暗能量化身為某種無線電波,只是波長比可觀測宇宙還要大數萬億倍。

天文學家想要弄明白暗能量是否隨時間變化,如果是的話,那就能將宇宙學常數排除了,因為它的密度是保持不變的。與之相對的是,在空間慢慢拉伸時,如果暗能量是一種新的能量場,它就可能會被稀釋,也可能由於宇宙膨脹而變多,從而加強。在大部分修正引力理論裡,暗能量的密度也是會變化的,甚至可能會先增後減,也可能先減後增。
04宇宙的平衡
宇宙命運的奧秘在於平衡。如果暗能量保持穩定,宇宙中的大部分區域都會隨著與我們的距離的增加而加速遠去,只剩下我們在一個小小的宇宙孤島,並永遠地與宇宙的其他部分斷絕聯繫。如果暗能量增強,它可能會在一場大撕裂中把所有物質都撕毀,甚至可能在今時今日就會讓空間變得不穩定。我們今天的最佳估計主要依賴於對超新星的觀測,我們的結論是,暗能量的密度還是穩定的。