為解釋暗能量,有必要修改廣義相對論的引力理論嗎?

暗能量是所有科學領域中尚未解決的最大難題之一。宇宙不僅在膨脹，而且我們推斷遙遠星系的膨脹率正在加速：隨著時間的推移，從我們的觀察角度它們的退去速度在加快。這是一個驚喜，當它在20世紀90年代被經驗性地發現時，20多年過去了，我們仍然不知道這種神秘和宇宙中最豐富的能量形式從何而來。

圖註：在破譯暗能量本質的宇宙謎題時，我們將更好地了解宇宙的命運。雖然你可以在廣義相對論的背景下解釋暗能量，但最近嘗試通過改變引力來解釋暗能量已經成為一種時尚。最近，獲獎的克勞迪婭·德拉姆博士的理論工作成為焦點，導致《衛報》發問：「物理學家的引力理論是否解決了『不可能』的暗能量之謎？」 這是一個令人著迷的可能性，但需要有適當程度的懷疑。

圖註：對愛因斯坦廣義相對論進行了無數次的科學檢驗，使其受到了人類有史以來最嚴格的限制。愛因斯坦的第一個解決方案是在一個質量附近的弱場極限，比如太陽；他將這些結果應用到我們的太陽系中，取得了巨大的成功。我們可以將這條軌道視為地球（或任何行星）圍繞太陽自由下落，在其自身的參照系中以直線路徑運行。所有的質量和所有的能量來源都有助於時空的曲率，但是我們只能近似地計算地球太陽軌道，而不是精確地計算。你可以把宇宙想像成兩個競爭者之間的競賽：最初的宇宙膨脹，導致遙遠的物體彼此遠離；引力，將所有的東西拉回到一起，試圖重新回憶宇宙。大爆炸是發令槍，當遠處的物體開始彼此後退時，地心引力總是會使它們減速。

你可以想像的三種可能性：

要麼膨脹太快，引力無法克服，宇宙中所有的引力都無法阻止或逆轉膨脹，或者是因為引力太大，最初的膨脹速度跟不上，膨脹會減速、停止、逆轉，導致一場大危機，或者膨脹率和引力完全平衡，我們的宇宙正好，膨脹率漸近於零，但永遠不會逆轉。不幸的是，對我們的直覺來說，宇宙並沒有這樣做。

圖註：宇宙的四種可能的命運，只有物質、輻射、曲率和宇宙常數是允許的。前三種可能性是宇宙的命運取決於物質/輻射與空間曲率的平衡；後一種可能性包括暗能量。只有最底層的「命運」與證據一致當然，在最初的70或80億年裡，它看起來正朝著完美平衡的方向發展，但隨後出現了一種新的現象：暗能量。雖然科學家沒有足夠的證據得出結論，至於造成暗能量存在並支配我們的宇宙的原因，我們可以描述它所做的以及它如何影響我們的宇宙。

如果將望遠鏡對準一個遙遠的星系，測量它的光，從它誕生的那一刻到今天，你會發現你觀察到的光總是與發出的光相比發生紅移。當光在不斷膨脹的宇宙中傳播時，空間本身的結構就會拉伸，從而拉伸光的波長。當它到達我們的眼睛時，它的波長更長，這意味著它的顏色比發射時更紅，能量更低。最初發出這種光的遙遠星系本身也會隨著時間的推移越來越遠。

圖註：此簡化動畫顯示光紅移如何以及未束縛對象之間的距離，在膨脹的宇宙中隨時間而變化。請注意，物體的起始距離比光在它們之間移動所需的時間要近，由於空間膨脹而導致的光紅移，並且兩個星系的間隔遠於它們之間交換的光子所走的光旅行路徑。如果沒有暗能量，任何一個星系都會以一個特定的紅移開始——它的光會被拉伸一定的量——紅移會隨著時間而減少。隨著引力減緩了膨脹速率，遙遠的星系將以逐漸減慢的速度退去，隨著宇宙的繼續發展，它們的光將越來越少地紅移。

然而，在我們的宇宙中，我們看到了另外一些事情：單個星系在宇宙歷史的前78億年似乎放慢速度，然後它們的退去速度似乎加速了。隨著時間的推移，遙遠的星系單獨地以越來越快的速度從我們身邊消失。在我們所能觀測到的宇宙中的2兆個星系中，即使我們今天以光速朝向它們奔去，有94%個星系是我們永遠無法企及的。

當然，最大的問題是為什麼。為什麼我們的宇宙有暗能量？為什麼暗能量具有它所具有的非零值？為什麼它有它所具有的特殊性質？

自從上世紀90年代首次揭示並發現暗能量以來，從宇宙的大尺度結構，從宇宙對其內部恆星的年齡要求，從遙遠超新星的微弱，從宇宙的平坦度和測量的物質密度的結合，科學家們已經知道與我們所說的宇宙學常數驚人地一致：我們可以在愛因斯坦的廣義相對論中，加入一些不違背理論本身核心預言的東西。

宇宙學常數的概念很簡單：空間結構本身具有非零的固有能量。

點擊

圖註：顯示量子真空中虛擬粒子的量子場論計算可視化。（特別是，對於強相互作用）即使在空白空間，這種真空能量也是非零的，從空間曲率不同的觀察者的角度來看，彎曲空間中一個區域的「基態」看起來也不同。只要量子場存在，真空能（或宇宙常數）也必須存在。這是解釋暗能量最簡單、最保守的方法：這僅僅是由於空間本身的性質。如果暗能量真的被空間的零點能量所描述，並且與宇宙常數不可區分，那麼它應該：

能量密度永遠不會隨時間變化，使所有波長的光都紅移相同的量，使加速膨脹的影響服從一個特定的關係，只要隨著時間的變化，同時仍然要求引力在任何時候都是相同的，對於所有的觀察者，在所有的參考系中，引力的速度完全等於光速。無論我們在哪裡測試，最後一點的每一個組成部分都被觀測到非常精確，這就是為什麼引力的改變已經受到如此嚴格的預先約束的原因。

圖註：伽馬射線爆發的例子，長期以來被認為是中子星合併的結果。它們周圍富含氣體的環境可以延遲信號的到達，解釋了觀測到的引力和電磁信號到達之間1.7秒的差異。這是我們觀察到的最好的證據，引力的速度必須等於光的速度。儘管如此，最近修改引力已經成為一種時尚，許多理論家修改了打破廣義相對論規則的想法。最常見的修改類型要麼是添加一個額外的欄位（標量、向量或兩者），要麼是添加一組額外的術語（像一個新的耦合），要麼就是它們打破了引力在任何時候對每個人都是相同的定律的概念。所有這些都已經受到了高度的限制，因為廣義相對論已經出色通過了我們所經歷過的每一次驗證。

然而，這些想法中的一些已經過時了。最後一個選擇就是打破洛倫茲不變性，這意味著拋棄了建立相對論的基本原理。最近，一項新的研究得到了廣泛的關注，試圖通過假設引力子（攜帶光子的引力類似物），這種引力子並非完全沒有質量，而是具有其固有的微小、非零質量

圖註：所有無質量粒子都以光速運動，包括光子、膠子和引力波，它們分別攜帶電磁、強核和引力相互作用。如果重力子，即負責重力的攜帶力的粒子，有一個非零質量，它們將比光傳播得慢，並且產生一個與廣義相對論預測的力定律略有不同的力定律。如果是真的，這將對物理學產生巨大的影響。首先，它意味著引力並不是真正的遠程力；在足夠遠的距離上，它應該以比電磁力（基於無質量光子）更快的方式變得更弱。第二，這意味著改變你的坐標，無論是以恆定的速度移動還是變速移動到不同的位置，都會改變你對引力定律的感知。

但第三，這意味著引力的速度小於光速，這很難調和。事實上，這三者都有觀測和實驗上的局限性，告訴我們，如果引力不是真正的長程引力，不是坐標引力，也不是推進不變量引力，或者它的速度不完全等於光速，那麼它必須非常非常接近光速。

但是，從理論上講，引力子的第四個結果是最令人不安的：它的質量隨時間而變化，與膨脹率本身成比例。

圖註：上圖中右邊有第一個弗裡德曼方程。第一個弗裡德曼方程左邊詳細描述了哈勃膨脹率的平方，這支配著時空的演化，右邊包括所有不同形式的物質和能量，以及空間曲率（在最後一個術語中），它決定了宇宙在未來如何演化。這被稱為宇宙學中最重要的方程，由弗裡德曼在1922年以其現代形式導出。這是理論物理學家在沙盤裡玩的模擬。在某種程度上，我們知道廣義相對論並不是所有問題的全部答案，因為有些問題它是無法回答的。因此，有人認為，探索「打破」廣義相對論的不同方法，找出其結果，尋找偏差是合理的。在某種程度上，科學家已經這樣做了100年。

但這種偏差從未出現過。對於包含標量或向量的廣義相對論的替代方案，有很強的限制。引力的速度必須等於光速，如引力速度超過光速，只有通過扭曲物理理論來實現。而且，也許最令人沮喪的是，這些解釋暗能量的嘗試完全掩蓋了一個大問題——如何計算空間自身的零點能量——而根本沒有解決它。

圖註：量子引力試圖將愛因斯坦的廣義相對論與量子力學相結合。經典引力的量子校正被形象化為循環圖，如此處以白色顯示的。空間（或時間）本身是離散的還是連續的尚未確定，引力是否量化的問題，是否有引力子（質量的還是無質量的）的問題也是如此。或者我們今天所知道的粒子是否是基本的。但是如果我們希望有一個關於一切的基本理論，它必須包括量子化場，而廣義相對論本身並沒有這樣做。暗能量的存在是絕對正確的，支持它存在的證據是壓倒一切的，而科學家可以做一個很好的描述暗能量的工作，我們不知道是什麼引起它或者它來自哪裡。可能是我們現在的引力理論，廣義相對論，不太正確，它不正確的具體方式，最終將對暗能量負責。這就是大多數研究修正引力的理論家所指望的。

但這只不過是在沙盤裡玩而已。可觀測和可測量的試驗繼續與廣義相對論在其未經修改的形式上一致，解釋宇宙常數的值在所有版本的引力中仍然是一個無法解釋的謎，無論是修改的還是未經修改的。如果你想要解釋暗能量，宇宙學常數可以完美地完成這項工作。如果你願意，你可以做不同的工作，但是要誠實地告訴自己你在做什麼：增加一個額外的，不必要的複雜因素來解釋一些已經足夠複雜的事情。