宇宙揭秘之暗物质的“前世今生”

爱因斯坦虽然是上世纪初物理学两大革命的重要带头人，但他的物理观念却基本上是经典的。他对光电效应的解释，促成建立了量子理论，但他对量子理论一直心存芥蒂，不愿认同。爱因斯坦与波尔之间著名的“世纪之争”，以及他提出的质疑量子理论的EPR佯谬，影响一直延续至今。

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广义相对论被爱因斯坦认为是他的最得意之作，其中他将引力与时空几何性质相联系，建立了著名的爱因斯坦引力场方程，但他对该方程解出的结果却屡屡怀疑，迟迟不肯承认。例如，史瓦西找到了方程的球对称解析解，引出了后来的黑洞概念。虽然那时候还没有黑洞这个名词，但爱因斯坦从不相信会有这样的怪物存在。又如，弗里德曼导出的方程为宇宙演化模型（大爆炸）建立了坚实的理论基础，爱因斯坦开始也一度怀疑弗里德曼算错了。

除了史瓦西和弗里德曼之外，得到引力场方程精确解的重要人物中，还有一个叫做威廉·德西特（Willem de Sitter，1872年－1934年）的荷兰天体物理学家。他解出的德西特时空与宇宙常数有关。

威廉·德西特。图片来自网络

德西特可谓暗物质和暗能量研究的理论先驱，尽管在他有生之年从未听过这两个名词。他曾经与爱因斯坦共同发表有关宇宙中存在“看不见的”物质的论文；他从引力场方程得到的德西特时空则是目前公认的解释暗能量的最佳候选者。

宇宙学常数L是个怪物，当初爱因斯坦引进它只是为了使他的方程的解维持一个稳定静止的（牛顿力学式的）宇宙图像，那是当时科学家们所公认的。我们知道，爱因斯坦方程最直观的物理意义是“物质决定时空几何”：方程的右边代表物质，左边代表几何。爱因斯坦最开始时将含有宇宙学常数L的一项放在方程左边，仅仅将它当作一种数学方法，以消除时空的不稳定因素而企图保持时空稳定。

当年的德西特教授反应很快，立刻就为包含宇宙常数的引力场方程找到了一个精确解。不过，这个解令爱因斯坦目瞪口呆，因为该解适合的条件是时空中什么也没有，这个解是令方程右边的能量动量张量完全为零，仅仅保留左边的宇宙常数L相关项而得到的。换言之，德西特的解似乎说明，没有物质，却产生了时空弯曲的几何。这显然没有物理意义。

于是人们认为，宇宙常数项应该放到方程的右边，作为某种类似于物质或能量的贡献。目前物理界认同的说法是：它产生于真空涨落，是属于方程右边代表“物质”的能量动量张量的一部分。实际上，爱因斯坦方程中的能量动量张量除了通常意义下的有静止质量的物质之外，本来就应该包括所有的能量在内，根据量子场论的理论，真空不空，具有能量，是物质存在的一种状态，宇宙学常数便与此能量有关，被称之为暗能量。

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有趣而古怪的宇宙学常数多次困惑爱因斯坦，也曾经给宇宙学家们带来反复多变的疑难。场方程中的这一项似乎可有可无，开始时，物理学家们和爱因斯坦一样，根据天文观测的实际数据来调整它的正负号，决定对它的取舍。比如，在1998年以前，人们认为宇宙是在减速膨胀，不需要宇宙常数这一项，便将它的值设为0。

但大家又总是心存疑问，所以，那时候的“宇宙常数问题”是为什么宇宙常数是零？1998年的观测事实证明了宇宙是在加速膨胀，这下好了，宇宙常数不应该是零了！物理学家们将它请回来，用以解释宇宙为什么加速膨胀。但是，问题又来了：这个宇宙常数到底是个什么东西？它为什么不是零？

虽然物理学家们暂时将宇宙常数解释为真空能量，但怎样计算真空能量密度却是物理学中尚未解决的一个大问题。如果把真空能量当作是所有已知量子场贡献的零点能的总和的话，这样得出来的结果比天文观测得到的宇宙常数值大了120个数量级！并且，观测得到的宇宙常数值与现在的物质能量密度有相同的数量级，使人感觉更可信。但从理论上而言，真空能应该如何计算呢？这是又一个宇宙学常数相关的疑难问题。

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总而言之，宇宙学家们对宇宙常数颇有兴趣，其原因是因为它代表的是一种“排斥”类型的引力。我们知道，电磁作用中的电荷有正有负，因而电磁力既有吸引作用也有排斥作用。但由普通物质的质量产生的引力却只有吸引绝不排斥。没有宇宙常数的参与，人们无法解释宇宙的加速膨胀。弗里德曼的宇宙模型影响宇宙尺度变化的4种物质密度中，只有与宇宙常数相关的那一项才能产生指数式的加速膨胀，其他密度的贡献都只能使宇宙减速膨胀。加速膨胀的效应只可能由具有“负压强”的真空能量产生。

所以，宇宙常数变成了“暗能量”的同义词，但我们对暗能量知之甚少，当下的宇宙常数疑难也就是暗能量疑难。

根据普朗克卫星提供的数据，暗能量在宇宙的物质成分中占了百分之七十左右，暗物质有百分之二十六左右，留下的百分之四才是我们熟知的普通物质。天文学家是如何得到这些数值比例的？