宇宙學常數是物理學最令人尷尬的問題

在每一片虛無中，都存在著某種東西。如果你放大空曠的空間，並移除所有的行星、恆星和星系，你可能會期望得到純粹的真空，但你就錯了。相反，你會發現一個動態的景象，粒子在其中閃現生命，又幾乎立即消失。

量子力學，這門支配著無限小世界的理論，不允許虛無的存在。在任何給定的時間和空間中，能量永遠不可能完全為零——總有一些迴旋的餘地。從這種迴旋餘地中，“虛粒子”可以產生——具體來說，是由一個粒子和它的反粒子組成的一對，它們會互相湮滅，並像它們出現時一樣迅速消失。儘管這可能看起來很奇怪，但實驗人員已經觀察到了虛粒子的真實世界效應。當粒子加速器首次測量Z玻色子的質量時，它與純質量略有偏差，因為它有時會變成一個虛的頂夸克——這是證明虛粒子存在的眾多觀測結果之一。

所有這些粒子晃動著出現和消失的效果是一種震動的“真空能量”，它充滿了宇宙，並向外推動空間本身。這種活動是對暗能量最可能的解釋——宇宙加速向外擴張，而不是保持靜態，甚至以穩定的速度擴張的原因。

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真空能量的問題在於它不夠多。當科學家們最初開始思考這個概念時，他們計算出這種能量應該是巨大的——它應該如此有力且迅速地擴張宇宙，以至於永遠不會形成恆星和星系。由於情況顯然並非如此，宇宙中的真空能量必須非常小——比量子理論預測的小約120個數量級。這就像說一個重五磅的東西實際上應該重五磅，後面還要加上120個額外的零。這種差異促使一些科學家稱真空能量為“物理學史上最糟糕的理論預測”。

真空能量被認為是“宇宙學常數”的主要成分，“宇宙學常數”是廣義相對論方程中的一個數學術語。預測的真空能量量與測量的能量量之間的巨大差異通常被稱為宇宙學常數問題。“它通常被認為是當今理論物理學中最尷尬、最棘手、最困難的問題之一，”英國諾丁漢大學的物理學家安東尼奧·帕迪拉說，他花了近二十年的時間試圖弄清楚這個問題。“這表明我們的故事中缺少了某些東西。我發現這很令人興奮——你為什麼不想研究它呢？”

這個謎題吸引了一些物理學界最偉大的頭腦，並引發了大量解決它的想法。2020年1月，紐約大學物理學家格雷戈裡·加巴達澤在布朗大學物理系的演講中，花了一個小時總結了理論家們迄今為止提出的所有概念。最後，一位聽眾問他，他最喜歡哪個想法。“沒有一個，”加巴達澤回答道。他說，這些想法都太“激進”了，而且都需要“放棄神聖的原則”。

但一些物理學家表示，新的理論工作正在為這個難題注入興奮感。最近在探測引力的精密實驗室實驗以及引力波天文學的出現，為一些擬議的解決方案最終可以進行實驗檢驗——或者至少可以排除——提供了希望。

問題的誕生

宇宙學常數有著曲折的歷史。“你可以稱之為非問題的非解決方案，”安大略省珀裡米特理論物理研究所的物理學家拉斐爾·索金說。阿爾伯特·愛因斯坦在1917年首次發明了它，作為一種數學上的權宜之計，迫使他的廣義相對論場方程預測一個靜態宇宙，因為他和當時的大多數科學家都認為宇宙是靜態的。但在1929年，天文學家埃德溫·哈勃測量了許多星系的速度，並驚奇地發現，它們都在遠離我們——事實上，星系越遠，它移動得就越快。他的測量表明，空間正在各處擴張，無論你朝哪裡看，都會感覺好像所有的星系都在後退，因為所有事物之間的距離都在不斷增長。面對這個訊息，愛因斯坦幾年後決定從他的方程中刪除宇宙學常數，根據物理學家喬治·伽莫夫的說法，他稱之為“我一生中最大的錯誤”。

有一段時間，宇宙學常數只是歷史的腳註，但它正在悄悄地為復出做準備。在20世紀90年代後期，兩組天文學家競相測量宇宙的膨脹由於引力向內拉物質而減緩了多少。在1998年和1999年，他們根據對特殊超新星的測量結果發表了他們的結果，這些超新星的距離可以非常精確地確定。事實證明，這些超新星中最遙遠的要比預期的暗得多，因此也遠得多。膨脹根本沒有減緩——它正在加速。這一令人震驚的發現為該團隊的三位領導者贏得了諾貝爾獎，並促使宇宙學家邁克爾·特納為導致加速的神秘力量創造了“暗能量”一詞。物理學家立即提出，暗能量的來源可能是宇宙學常數——換句話說，真空能量。“也許愛因斯坦的錯誤比普通凡人的最好努力更有洞察力，”加速的發現者之一索爾·珀爾馬特後來寫道。

儘管宇宙學常數允許科學家再次平衡愛因斯坦場方程，使其像天文學家觀察到的那樣預測一個加速的宇宙，但常數值卻說不通。它實際上使一個困擾科學家一段時間的問題變得更糟。在常數被擱置的那些年裡，物理學家們已經將廣義相對論中的這個術語與量子力學中的真空能量概念聯絡起來。但真空能量應該是非常巨大的。

最早注意到情況有些不對勁的人之一是物理學家沃爾夫岡·泡利，他在20世紀20年代發現，這種能量應該非常強大，以至於宇宙應該已經膨脹到遠遠超過光可以穿越其中任何物體之間距離的點。泡利計算出，整個可觀測宇宙“甚至無法到達月球”。據報道，他對自己的估計感到好笑，當時沒有人認真對待它。第一個根據量子理論對真空能量的預測正式計算宇宙學常數值的是物理學家雅科夫·澤爾多維奇，他在1967年發現，這種能量應該使宇宙學常數變得巨大。但當時，科學家們認為宇宙正在以穩定或減緩的速度膨脹，而且大多數人認為宇宙學常數為零。宇宙學常數問題由此誕生。

三十年後，當天文學家意識到宇宙的膨脹正在加速時，問題並沒有消失。儘管當時的加速量令人震驚，但與量子理論所說的應該達到的水平相比，仍然微不足道。在某種程度上，復活宇宙學常數使困境變得更糟。試圖想象為什麼常數可能精確地變為零是一回事。更難理解的是，為什麼它可能僅僅比零稍大一點。“它的價值非常奇怪，”德克薩斯大學奧斯汀分校的理論物理學家凱瑟琳·弗里斯說。“甚至比零更奇怪。”

並非所有人都認為這是一個需要解決的問題。德國慕尼黑數學哲學中心的理論物理學家薩賓·霍森菲爾德說，宇宙學常數在技術上只是一個自然常數，是方程中的一個數字，可以取任何值。它具有現在的價值只是一個數字上的巧合。“你可以直接取這個常數並完成它，”霍森菲爾德說。“所有關於它為什麼具有現在的價值的爭論都不是科學的好問題，”她說。當量子場論的預測與天文測量結果不符時，量子場論沒有任何東西被證偽，而且該理論仍然像以往一樣有用。“我認為宇宙學和天體物理學界的大多數人認為這是一個問題，因為他們長期以來一直被告知是這樣的。”

然而，許多物理學家無法釋懷。宇宙學常數出乎意料的小是一個需要拉動的線頭。“它讓我很困擾，”加巴達澤說，“我想要一些答案。”

理論氾濫

儘管許多物理學家熱衷於解決這個問題，但進展速度一直令人沮喪地緩慢。“自從澤爾多維奇真正指出問題所在以來，已經過去了50多年，而且肯定沒有既定的、公認的解釋，”帕迪拉說。“想法來來去去，但通常很少有堅持下來的。”

大多數針對宇宙學常數問題的擬議解決方案分為三類：改變描述宇宙膨脹的廣義相對論方程，修改預測真空能量量的量子場論方程，或者在混合物中加入全新的東西。

調整廣義相對論可能會改變宇宙學常數所起的數學作用——或者完全將其刪除。例如，弗里斯和她的同事試圖透過改變廣義相對論計算應用於膨脹宇宙的方式，來消除對常數解釋宇宙加速的需求。“如果物質和光子在方程中的作用不同，那麼它們可能就足夠了，而無需向宇宙新增任何新的成分，”她說。她的模型基於這樣的想法，即超出我們所見的三個空間維度和一個時間維度的額外維度可能隱藏在視線之外。

更新廣義相對論的另一個角度稱為隔離，由帕迪拉和他的同事提出。他們以一種密封引力的方式修改了愛因斯坦的理論，使其無法感受到真空能量的影響。“我不會假裝這是既定的模型，”帕迪拉補充說，“但沒有人能夠排除它。”

然而，如果廣義相對論不是問題所在，那麼問題可能出在量子力學上。一些理論家認為，量子場論計算真空能量的方法是錯誤的。德國萊比錫大學的斯特凡·霍蘭茲和他的同事對將常規量子方程應用於彎曲時空提出異議，稱它們的設計考慮了平坦空間。他們認為，如果物理學家能夠正確地修改它們以適應彎曲空間，宇宙學常數問題就會消失。

但解決方案可能需要的不僅僅是數學上對傳統方程進行微調。一個非正統的想法是加州大學戴維斯分校的史蒂夫·卡利普提出的，即時空從根本上是由“泡沫”構成的。在這種圖中，空間的曲率會在極小的尺度上不斷波動，遠遠超出我們希望測量的任何範圍。所有這些複雜的拓撲結構都會抵消宇宙學常數的很大一部分影響，使其在區域性水平上非常小。“這有點像一個瘋狂的想法，”卡利普說。“這是一種絕望的措施，但每一種處理宇宙學常數的嘗試都是絕望的，現在是絕望的時期。”

索金說卡利普的時空泡沫“朝著正確的方向前進”，他也在這個領域有自己的貢獻。他致力於一種統一量子力學和引力的方法，稱為因果集理論。根據這個模型，時空從根本上來說是離散的——這意味著它不是一個平滑、連續的廣闊空間，而是被分解成微小的塊，即空間和時間的單個單元，它們代表宇宙的構建塊，就像原子是物質的構建塊一樣。如果是這種情況，那麼計算宇宙學常數就需要除以宇宙中時空單元的數量，從而得到一個更接近天文學家觀察到的值。

最突出——並且在某些人看來最令人憎恨——的宇宙學常數問題解決方案之一被稱為人擇原理。這種思路認為，我們宇宙中的宇宙學常數具有不太可能的價值，但透過說我們生活在一個多元宇宙中來解釋它。如果我們的宇宙只是宇宙海洋中的一個氣泡，每個氣泡都有不同的物理定律和常數，那麼必然會有一個具有這個值的氣泡。大多數其他氣泡不會產生具有星系、恆星、行星或生命的宇宙，因此我們發現自己身處其中一個異常值中是理所當然的。由於弦理論需要多元宇宙，弦理論家傾向於認為宇宙學常數問題基本上已透過這種推理得到解決。然而，其他物理學家認為這種哲學是一種逃避責任。“這是放棄了這個問題，”索金說。

所有這些策略都傾向於涉及對既有物理學的相當大的修正。“它們中的每一個都要求對基本原理進行重大改造，例如時空，或者宇宙的維度數量，”加巴達澤說。“它們在某種程度上都是令人厭惡的。”沒有一個理論明顯優於其他理論。“在這一點上，這變成了一個品味問題，”卡利普說。“可能答案是沒人想到的東西。”

常數還是精質？

宇宙學常數仍然是對暗能量——導致空間膨脹加速的神秘力量——的最佳解釋。但是，如果暗能量實際上與宇宙學常數或真空能量根本無關呢？如果宇宙的真空能量以某種方式完全抵消，並且宇宙學常數為零呢？在這種情況下，暗能量可能是被稱為精質的東西在起作用。

物理學家羅伯特·考德威爾、保羅·斯坦哈特和拉胡爾·戴夫在1998年提出了精質的概念，作為對宇宙加速膨脹的另一種解釋。精質將是整個空間中具有負壓力的某種形式的能量。與宇宙學常數相反，精質可能會隨時間變化。精質的一個版本，稱為幽靈能量，假設一種能量，其密度隨著宇宙年齡的增長而增加，導致最終的“大撕裂”，屆時空間將被失控的膨脹撕裂，直到粒子之間的距離變得無限大。

為了測試暗能量是由精質還是宇宙學常數引起的，科學家必須確定暗能量的強度是否隨時間變化。各種專案一直在收集關於不同宇宙時期空間膨脹率的資料。一個例子是暗能量調查，這是一項為期六年的工作，旨在使用智利的維克托·M·布蘭科望遠鏡繪製天空大片區域中許多距離處的星系。科學家們仍在分析這項調查的資料，但他們已經看到了一些微小的跡象表明暗能量可能實際上不是恆定的。找出精質是否真實存在的另一種方法是尋找證據，證明這種能量導致自然基本常數隨時間變化。尚未出現常數不恆定的跡象。

在未來幾十年中，實驗應該讓科學家們更好地瞭解宇宙學常數（以及其背後的真空能量）是否是暗能量的來源。計劃於2025年在智利正在建造的望遠鏡上開始的維拉·C·魯賓天文臺遺產空間和時間巡天應該會顯著提高當前宇宙膨脹歷史測量的精度。很快，科學家們應該能夠更清楚地說明資料中是否有精質的空間，或者是否有一種不變的力量一直在起作用。

時空漣漪和中子星

如果正如迄今為止的證據似乎表明的那樣，暗能量確實是宇宙學常數的結果，那麼仍然希望理清對其意外微小的各種擬議解釋。即將到來的實驗和天文觀測可能會提供一種區分大量理論的方法，淘汰一些理論，並且有可能為其他理論提供支援。

八年前，當科學家們開始探測到引力波時，他們獲得了研究宇宙的全新視角，引力波是黑洞和中子星等巨大質量碰撞產生的時空漣漪。美國的LIGO（雷射干涉引力波天文臺）和歐洲的Virgo等引力波天文臺現在定期發現宇宙災難產生的波，這些波可能有助於探測真空能量的性質。一些解決宇宙學常數問題的嘗試依賴於對廣義相對論的改變，這將導致引力傳播速度略低於光速。引力波似乎與來自同一事件的光同時到達的事實已經否定了這個想法，已經排除了幾個理論。“我們在[2012年]有一個名為Fab Four的模型，旨在解決宇宙學常數問題，”帕迪拉說。“我已經開始懷疑它了，但引力波資料扼殺了它。”

引力波也揭示了中子星內部的奇怪活動。這些超新星的緻密殘餘物非常緻密，以至於原子已經坍縮，它們的質子和電子碰撞在一起，形成幾乎純中子的質量。這種奇異狀態產生了奇怪的現象——例如，中子星的核心可能包含一種新型物質相，這將導致其內部的真空能量量發生跳躍。引力波天文臺可能對這裡額外真空能量的引力效應敏感，從而有可能揭示有關真空能量性質的秘密。

雖然天體物理學實驗在宇宙尺度上尋找線索，但更接近家園的實驗也可能幫助研究人員梳理宇宙學常數假設。探測儘可能小距離的宇宙的實驗室裝置可能對物理學家正在提出的一些廣義相對論的改變敏感。

一個例子是華盛頓大學的Eöt-Wash小組的工作，該小組的科學家使用極其靈敏的平衡實驗對引力進行了精確測試。他們的儀器被稱為扭秤：一個帶有孔洞的金屬圓盤從一根細線上懸掛下來，下面有一個類似的圓盤，以恆定速度旋轉。這兩個圓盤的距離類似於一張紙的寬度，並且隨著底部圓盤的旋轉，其引力會導致頂部圓盤來回扭轉。

這種極其靈敏的實驗使研究人員能夠跟蹤引力在小至千萬分之一米的尺度上的行為。如果引力在如此近的距離處減弱，正如一些想法所暗示的那樣——或者如果額外的、微小的空間維度在那裡可以辨別出來——Eöt-Wash團隊將會發現它們。到目前為止，引力在他們的測試中一直遵循牛頓和愛因斯坦定律，並且沒有看到隱藏的維度，但科學家們一直在調整他們的儀器以探測不同的相互作用。即使該小組從未檢測到影響真空能量的偏差，這也不一定是結論性的：這種變化可能只發生在超出我們範圍的距離處。

“我們將繼續嘗試，”加巴達澤在談到用實驗測試宇宙學常數假設的嘗試時說。“自1960年左右以來，每一代物理學家都看到了新的解決方案出現。也許有一天，其中一些解決方案將具有可以測試的觀測預測，但在這一點上我們還沒有到達那裡。”儘管這個謎題很困難，但他和其他物理學家仍然希望很快找到解決方案。也許這些理解宇宙學常數問題的努力將揭示關於量子物理學和廣義相對論更深層的真理。或者，也許科學家們會發現一個更簡單的解決方案。即使在他們尋求可能永遠無法實現的解決方案的同時，許多物理學家也陶醉於這一探索。