宇宙常数是目前物理学中最令人困扰的问题

如果我们取出宇宙中所有的行星，恒星和星系，就会获得纯净的真空。但这是错误的！取而代之的是，您会发现一个动态时间和空间交织的时间，其中的所有粒子都仿佛闪烁着生命，生生灭灭不息。

量子力学是描述无穷小的世界的理论，不允许绝对的“无”。在时间和空间的任何时刻，能量永远不可能完美地等于零，总会有一些回旋的余地。在实验中，甚至会出现所谓“虚拟”粒子，特别是一对由粒子和其反粒子组成的粒子，它们相互泯灭，并且很快就消失了。尽管看起来很奇怪，但实验已经观察到虚拟粒子的真实效果。当粒子加速器首次测量Z玻色子的质量时，它与纯粹计算出来的数学质量略有不同，因为它有时会变成虚拟的夸克，这是证明虚拟粒子存在的众多迹象之一。

所有这些粒子的实验效果是一种震撼人心的继续，它充满了整个宇宙并向外推动了宇宙本身。因此这项活动最有可能是暗物质的一种解释，原因是目前观测到宇宙而不是保持静止或以稳定的速度膨胀，而是每时每刻都在向外加速。

真空能量的问题主要在于数学计算结果不符合显示。科学家们计算出这种能量应该是巨大的，它应该强大而迅速地膨胀了整个宇宙，以至于没有恒星和星系形成。但是显然现实世界不是这样，所以宇宙中的真空能必须非常小，比量子理论预测的小约120个数量级。这就像说，重12斤的东西实际上应该重12斤后再加上120个零。这种差异促使一些科学家将真空能称为“物理学史上最糟糕的理论预测”。

真空能被认为是“宇宙常数”的主要成分，“宇宙常数”是广义相对论方程中的一个数学术语。真空能量的预测量与测量值之间的巨大差异通常被称为宇宙常数问题。“它通常被认为是当今理论物理学中最棘手，最尴尬，最棘手的问题之一，”英格兰诺丁汉大学物理学家安东尼奥·帕迪拉说，他花了15年的时间才弄清楚这一点。

“这表明我们的故事中缺少一些东西。我觉得这很令人兴奋”

这个谜语吸引了物理学界的一些最伟大的头脑，并引出了许多解决问题的想法。去年，纽约大学物理学家在布朗大学物理系的一次演讲中花了一个小时，总结了迄今为止理论家提出的所有概念。最后，一位听众问他赞成哪个想法。“没有一个，”加巴达兹回答。他说，它们太“激进”了，都需要“放弃现在的一切原则”。

但是另外一些物理学家却说，新的理论工作正在激发人们的困惑。探测重力的精密实验室实验的最新进展，以及引力波天文学的出现，都为该问题的某些解决方案最终可以用于实验测试提供了希望。

宇宙常数研究具有很长的历史。安大略省理论物理周边学院的物理学家拉斐尔·索金说：“这就是对问题的一种妥协解决方案。” 阿尔伯特·爱因斯坦于1917年首先发明了这种数学方法，以迫使他的相对论场方程来预测静态宇宙，他和大多数科学家都认为宇宙就是这样一成不变的。但是在1929年，天文学家爱德温·哈勃测量了许多星系的速度，令他们惊讶的是，它们都在远离我们，而且星系越远，它走得越快。他的测量结果表明，空间到处都在扩大，无论您从哪里看，似乎所有星系都在消退，因为万物之间的距离一直在增长。

面对这个消息，一段时间以来，宇宙常数一直没有真正的结果，但它正在悄悄地为卷土重来做准备。在1990年代后期，两个天文学家团队开始测量由于引力向内引力而使宇宙膨胀减慢了多少。他们在2008年和2009年开始基于超新星，进行测量，并且发表了他们的结果——这些超新星的距离可以非常精确地确定。结果显示这些超新星中距离最远的竟然比预期的要暗得多，因此距离更远。这证明宇宙膨胀不仅没有丝毫放缓，而且在加速。这一令人震惊的发现为两支团队的领导人赢得了诺贝尔奖，并促使宇宙学家迈克尔·特纳为引起加速的神秘力量创造了“暗物质”一词。物理学家猜测暗物质的来源可能是宇宙常数，换句话说，是真空能。“也许爱因斯坦的失误比普通凡人的尽力而为有更多的见识，”宇宙膨胀的发现者之一索尔·珀尔默特写道。

尽管宇宙常数使物理科学家能够再次平衡爱因斯坦场方程，但是但常数的值没有确定。这困扰科学家们许多年。

物理学家沃尔夫冈·保利是最早注意到这个问题的人之一，他在1920年代就发现，这种能量应该非常强，以至于宇宙应该已经膨胀了很长时间，超过了第一束光可以穿越其中任何物体之间的距离的程度。。但是当时没人认真对待它。物理学家Yakov是第一个基于量子理论对真空能的观测，正式计算宇宙常数的值的人，他在1967年发现能量应该使宇宙常数变大。但是当时，科学家们认为宇宙正在以稳定或缓慢的速度膨胀，并且大多数人认为宇宙常数为零。

30年后，当天文学家意识到宇宙膨胀正在加速发展时，问题并没有因此消失。因为与当时的量子理论相比，加速度的数量虽然令人震惊，但仍然算是微不足道。从某种意义上说，恢复宇宙常数会使问题解决变得更糟。“它的价值非常奇怪，”德克萨斯大学奥斯汀分校的理论物理学家凯瑟琳·弗里斯说。“甚至比零还奇怪。”

并非所有人都认为这是需要修复的问题。从技术上讲，宇宙常数只是自然常数，方程中的数字可以取任何值，德国法兰克福高等研究院的理论物理学家萨宾·霍森菲尔德说。它具有它所具有的值的事实仅仅是数字上的巧合。他说：。“我认为宇宙学和天体物理学界的大多数人不认为这是一个问题。”

然而，仍然有物理学家无法放任自流。宇宙常数的意外小是令人困惑的。加巴达兹说：“这让我很困扰，我想得到一些答案。”

尽管许多物理学家都热衷于解决这个问题，但进展速度却令人沮丧地缓慢。帕迪拉说：“距离泽尔多维奇真正指出问题所在已有50多年了，而且肯定没有公认的正确解释。”

所有这些策略都倾向于对已有的物理学进行相当大的修改。“每个人都要求对基本原理进行重大修改，比如说时空或宇宙的维数，”加巴达兹说。“这些新的理论都在某种程度上令人反感。” 没有任何一个理论可以明确地超越其他理论。“在这一点上，这变成了一个品味问题，” 他说。

五年前，当科学家开始探测引力波时，他们获得了一个全新的透镜来研究宇宙。引力波是由诸如黑洞和中子星等大质量物体碰撞产生的时空波纹。诸如美国的LIGO和欧洲的处女座等重力波天文台现在定期发现由宇宙大爆照产生的波，这些波可证明对探测真空能的性质很有用。解决宇宙学常数问题的一些尝试依赖于广义相对论的变化，这将导致重力的传播比光速慢一些。

引力波也揭示了中子星内部的奇怪活动。这些紧凑的超新星残骸是如此密集，以至于原子已经崩溃，它们的质子和电子粉碎在一起，形成了几乎纯净的中子。这种奇异的状态会引起奇怪的现象。例如，中子星的核心可能包含物质的新相，这将导致其中的真空能数量跃升。引力波天文台可能对此处额外真空能量的引力效应敏感，有可能揭示有关真空能量性质的秘密。

“我们将继续尝试，”加巴达兹谈到通过实验检验宇宙学常数假设的尝试。“自1960年左右以来，每一代物理学家都看到了新的解决方案。” 也许科学家会发现更简单的解决方法。即使他们正在寻求可能永远不会实现的解决方案，但许多物理学家仍然沉迷于这一追求。