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物理學(xué)中有一個基本問題，一個被稱為宇宙學(xué)常數(shù)的數(shù)，連接了量子力學(xué)的微觀世界和愛因斯坦廣義相對論的宏觀世界，但兩種理論都不能就其數(shù)值達(dá)成一致。事實上，這個宇宙學(xué)常數(shù)的觀測值和理論預(yù)測之間存在巨大差異，這被廣泛認(rèn)為是物理史上最糟糕的預(yù)測，愛因斯坦也為之感嘆！
解決這種差異可能是本世紀(jì)理論物理學(xué)最重要的目標(biāo)之一。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)理論物理學(xué)助理教授盧卡斯·隆布里瑟將發(fā)表一種評估愛因斯坦引力方程的新方法，以便找到與其觀測值接近的宇宙學(xué)常數(shù)值，該研究方法將在2019年10月10日發(fā)表在《物理通訊B》期刊上。 愛因斯坦最大的錯誤如何變成暗能量？宇宙學(xué)常數(shù)的故事開始于一個多世紀(jì)前，當(dāng)時愛因斯坦提出了一組方程，現(xiàn)在被稱為愛因斯坦場方程式，這成為了愛因斯坦廣義相對論的框架。這些方程解釋了物質(zhì)和能量是如何扭曲空間和時間的結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生引力。當(dāng)時，愛因斯坦和天文學(xué)家都認(rèn)為宇宙的大小是固定的，星系之間的整體空間不會改變。然而，當(dāng)愛因斯坦將廣義相對論應(yīng)用于整個宇宙時，愛因斯坦的理論預(yù)測了一個不穩(wěn)定宇宙，它要么會膨脹，要么會收縮，為了“迫使”宇宙是靜態(tài)的，愛因斯坦增加了宇宙學(xué)常數(shù)。
近十年后，另一位物理學(xué)家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)發(fā)現(xiàn)，宇宙不是靜止的，而是不斷膨脹的。來自遙遠(yuǎn)星系的光顯示它們都在相互遠(yuǎn)離。這一發(fā)現(xiàn)說服愛因斯坦放棄了愛因斯坦場方程式中的宇宙學(xué)常數(shù)，因為不再需要解釋膨脹的宇宙。物理學(xué)的傳說是：愛因斯坦后來表示，他引入宇宙常數(shù)可能是他最大的錯誤。1998年，對遙遠(yuǎn)超新星的觀測表明，宇宙不僅在膨脹，而且正在加速膨脹。星系之間互相加速，就好像某種未知的力量正在克服引力，將這些星系推開。
物理學(xué)家將這種神秘的現(xiàn)象命名為暗能量，因為它的真實性質(zhì)仍然是一個謎。具有諷刺意味的是，物理學(xué)家再次將宇宙學(xué)常數(shù)重新引入愛因斯坦的場方程式，以解釋暗能量。在當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中，稱為Λcdm(Lambda CDM)，宇宙學(xué)常數(shù)可以與暗能量互換。天文學(xué)家甚至基于對遙遠(yuǎn)超新星的觀測和宇宙微波背景中的波動來估計宇宙學(xué)常數(shù)值。雖然這個數(shù)值小得離譜(大約每平方米10^-52)，但在宇宙的尺度上，其重要性足以解釋空間加速膨脹的原因。
宇宙學(xué)常數(shù)（暗能量）目前約占宇宙總能量含量的70%左右，這是可以從觀察到宇宙目前正在經(jīng)歷加速膨脹中推斷出來的，然而這個常數(shù)還沒有被理解。試圖解釋它的努力失敗了，我們在如何理解宇宙方面似乎遺漏了一些基本的東西。解開這個謎團是現(xiàn)代物理學(xué)的主要研究領(lǐng)域之一?？茖W(xué)家普遍認(rèn)為，解決這個問題可能會讓我們對物理學(xué)有一個更基本的理解。 物理史上最糟糕的理論預(yù)測宇宙常數(shù)被認(rèn)為代表物理學(xué)家所說的“真空能量”，量子場論指出，即使在完全空虛的太空真空中，虛擬粒子也會突然出現(xiàn)又脫離存在，并創(chuàng)造能量：這似乎是一個荒謬的想法，但實驗上已經(jīng)觀察到了這一點。當(dāng)物理學(xué)家試圖計算它對宇宙常數(shù)的貢獻時，問題就出現(xiàn)了，其結(jié)果與觀測結(jié)果不同，其驚人的因子為10^121，這是所有物理學(xué)中理論與實驗之間最大的差異。這種差異導(dǎo)致一些物理學(xué)家懷疑愛因斯坦最初的引力方程；有些人甚至提出了替代的引力模型。
然而，激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)對引力波的進一步證據(jù)只增強了廣義相對論，并摒棄了許多這些替代理論。這就是為什么Lombriser沒有重新思考引力，而是采取了不同方法來解決這個宇宙之謎的原因。所提出的機制并沒有改變愛因斯坦場方程式，取而代之的是，在愛因斯坦場方程式的基礎(chǔ)上增加了一個額外方程式。引力常數(shù)最早用于艾薩克·牛頓的引力定律，現(xiàn)在是愛因斯坦場方程式的重要組成部分，它描述了物體之間引力的大小，被認(rèn)為是物理學(xué)的基本常數(shù)之一，自宇宙誕生以來一直保持不變。
Lombriser做出了戲劇性的假設(shè)，即這個常數(shù)可以改變。在Lombriser對廣義相對論的修正中，引力常數(shù)在可觀察到的宇宙中保持不變，但可能會超過它。而是提出了一種多宇宙場景，其中可能存在看不見的宇宙斑塊，這些斑塊對于基本常數(shù)具有不同的值。引力的這種變化給了隆布里瑟一個額外方程式，它將宇宙學(xué)常數(shù)與整個時空中物質(zhì)的平均總和聯(lián)系起來。計算了宇宙中所有星系、恒星和暗物質(zhì)的估計質(zhì)量之后，可以求解這個新方程來獲得一個新宇宙學(xué)常數(shù)的值：一個與觀測結(jié)果非常吻合的值。
使用一個新的參數(shù)ΩΛ（Omega Lambda）表示宇宙中由暗物質(zhì)組成部分，發(fā)現(xiàn)宇宙大約由74%的暗能量組成。這個數(shù)值與從觀測得到的68.5%估計值非常吻合，與量子場論發(fā)現(xiàn)的巨大差異相比，這是一個巨大的進步。盡管Lombriser的框架可能解決了宇宙學(xué)常數(shù)問題，但目前還沒有辦法對其進行測試。但在未來，如果來自其他理論的實驗驗證了該方程式，這可能意味著我們對暗能量理解上的一次重大飛躍，并提供了一種解決其他宇宙奧秘的工具。
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