【编者按】此文为诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格2001年12月在斯德哥尔摩一个历届诺贝尔奖得主的大聚会上所做的报告——一个与我们整个宇宙有关的科学问题的报告，这就是暗能量的问题，一个空间中小小的能量寄居者。

史蒂文·温伯格（Steven Weinberg），美国得克萨斯大学奥斯汀分校物理和天文学系教员、Josey Regental科学教授。温伯格教授1979年获诺贝尔物理学奖，1991年获美国国家科学奖章。

这个问题在我的大脑中已经徘徊了许久，1988年，在准备哈佛大学系列演讲时，我审视过各种为什么存在暗能量的解释，如果它存在的话，是如此之小以致一直没能被探测到的解释，并且得出结论，只有一种解释可能行得通，这就是多重宇宙的想法。1998年在得克萨斯大学，雨果·马特尔(Hugo Mantel)、保罗·萨皮洛(Paul Shapiro) 和我一起对这种思路所能得到的暗能量做了一个估计，我们发现它将大到足以产生一个可观测的宇宙膨胀的加速。在同一年，两组天文学家发现: 宇宙的膨胀确实在加速。

——史蒂文·温伯格

我的题目是真空空间的能量。这似乎有点像非常不靠谱的课题。不过，真空空间真的是空的吗? 不完全如此。事实上，我们对真空空间能量了解的失败是今天基础物理和宇宙学未来发展最重要的拦路虎。

海森堡的不确定原理告诉我们空间不可能是真的真空。在我们最熟悉的形式中，这个原理告诉我们: 一个粒子的位置和它的位置的变化率——粒子速度——不可能同时都具有确定的值。类似的不确定原理可以应用到场，诸如电、磁和引力场。在任意给定点的场和它的变化率不可能同时都具有确定值。特别是，这些场中的任意一种场在假定的空的空间中不可能保持为零；如果一种场碰巧在某一瞬间为零，则它的变化率可能具有任意值，所以在以后的任意一刻，这个场就能有任意的可能值。这些连续涨落着的场把能量赋予自身的任意空间，该能量正比于这部分空间体积，不论这部分空间是否包含正常物质。

谁会在意它呢? 通常来说重要的不是能量，而是能量之差。为了解从一个滚下山的球中能获得多少能量，我们必须要问球在山顶和在山脚下的重力势能的差是多少。然而，不管那里有什么东西，空间中的能量总是在那里，因而对任何两个态的能量差都没有影响。

自然界中确实有一件事与能量本身有关，而不是仅仅与能量差相关，那就是引力。太阳的引力场不仅仅来自于太阳的质量，还来自于它的热能，如果太阳是冷的，地球还要保持在它的轨道上，就要绕太阳转得稍快一些。在宇宙中有很多空间，它的能量对宇宙的引力场有贡献，

而引力场反过来又主导着宇宙膨胀的方式。这样就提供了真空空间能量的实验上限。根据它的符号，太多的暗能量要么在现在之前就已经中止了宇宙的膨胀，要么已经把宇宙的膨胀加速得太快了，以至于已经没有时间去形成银河或星系。

那么我们期望在每立方英尺的真空空间中有多少能量呢? 乍一看，似乎电、磁和引力场的量子涨落会给每一立方英尺的真空以无穷大的能量，但这荒唐的结果仅适用于这样一种情况: 在那里包括了从一英尺降到零的、任何可能的波长的涨落贡献。这并未被证实，因为我们真的不太清楚很小波长涨落的行为。如果我们在这个计算中只包括比在粒子加速器中已探测过的最短距离———大约10-16厘米大的波长，则计算将给出一个每立方英尺有限的能量，但这是一个比宇宙正在这样膨胀的观测结果所限定的值要大得多的能量，太大了。事实上，大了1056倍。如果暗能量真的要这么大，那么宇宙将会演化得太快，以致没有时间让银河系或行星或生命出现。

这是个谜，但不是佯谬，因为暗能量还有其他来源的贡献。1917年爱因斯坦提出在广义相对论的场方程中引入一个修正，就是熟知的宇宙常数，它等价于把一个每单位体积的恒定能量赋予空的空间。所以，如果量子场的涨落给予真空某种巨大的正能，比观测所允许的值要大1056倍，我们可以假定，爱因斯坦的宇宙常数应给出一个同样巨大的能量，但是是负的，以致这两种能量互相抵消。但是，要避免与观测结果相矛盾，这种抵消要精确到小数点后56位，这似乎太不可思议了。

这个谜是现代物理行为方式的一个非常好的展示。发明一个符合所有数据的暗能量理论并不困难。我们可以按照爱因斯坦的方法，引入一个宇宙常数，调节它的大小，以致纯的暗能量可以小到能避免与观测结果相冲突的程度。但是我们的目标不仅仅是发展一些与观测结果一致的理论，我们的理论要能解释自然界为什么是它现在的样子。迄今为止，我们尚未达到对这种真空能量的理解。

这种神秘性在物理学家的大脑中已经存在了几十年。我们大多数人假定存在着某种还未被发现的、要求能精确抵消暗能量的基本原理。我们认为我们最宏伟的引力和其他力统一的理论的最大不足，就是没能给出这种抵消的基本原理。而1998 年天文学的观测结果让人大吃一惊，虽然真空能大大地小于所料想的那个数，但明显不为零。它似乎约等于包含在宇宙组分的质量中的能量(根据E＝mc2关系) 的2倍。(这给我们提出了另一个疑问: 单位体积内的能量通常假定大约是个常数，然而在粒子质量中单位体积的能量在宇宙膨胀时自然减少，那么它们为什么会在宇宙历史的这个特定时刻有相似的值?)

暗能量的这个值是从宇宙膨胀的研究中推断出来的，是由遥远星系急速离开我们的方式所认定的。如果我们观测的星系从开始就以一个恒定速度移动，那么任何星系的距离都应正比于它的速度。在缺失暗能量的情况下，我们预期星系会在它们相互间引力的作用下减速，这样它们在发射出现在看到的光时的速度，要大于它们在发射出光以后的速度。那么它们的实际距离就要小于如果它们的速度是常数时的距离。事实上，似乎这些距离比如果它们的速度是常数时的距离大，这说明它们不仅没有慢下来，反而加速了。这就是所预期的正的暗能量引起的效应。顺便说一下，如果宇宙继续加速膨胀，就会存在一些星系，它们发出的光将永远到达不了我们这里，并且最终所有超出我们本星系群的星系对我们来说都是不可见的。

不论暗能量是否真是零或具有最近观测所确定的值，毫无疑问，与我们依据量子场涨落能量的估计值所期待的数值相比，它难以置信的小。人们提出了很多种解释，可能一些场自动调整它的值以几乎抵消所有的暗能量，也许某个未知的物理原理支配宇宙向暗能量为零的状态演化，所以，由于我们的宇宙已经很老了，现在暗能量才这么小。也许宇宙大爆炸只不过是多元宇宙中的一个情景，而在这个多元宇宙中有无数个大爆炸已经发生，并且将要发生，每个大爆炸事件对类似暗能量那样的基本物理常数都有不同的值。在这种情况下，任何要询问暗能量的人都必须处在某个大爆炸产生的宇宙中，而这个大爆炸中的暗能量纯粹偶然地足够小，可以让时间演化到允许他问这个问题的那个时刻。任何真正的解释注定都是有意思的。

自这篇短文发表以来，对宇宙微波辐射背景(从大爆炸只有38万岁的时刻遗留下来的无线电波微弱的飒飒声) 的研究确认了暗能量的存在。现在天文学的热点问题是，要测量在空间单位体积内的暗能量是否一直保持为常数，或者当宇宙膨胀时随时间演化。美国国家航空航天局和能源部共同资助了一个联合卫星发射任务，旨在测量在过去的100亿年中的不同时刻暗能量的大小，天文学家也有用地基望远镜进行类似测量的计划，诸如在西得克萨斯(West Texas) 州的霍比－埃伯利(Hobby-Eberly) 望远镜。

——史蒂文·温伯格

本文由刘四旦摘编自[美]史蒂文· 温伯格著、丁亦兵等译《湖畔遐思：宇宙和现实世界》一书。

 正如亨利·戴维·梭罗 “常在康科德（Concord）旅行”一样，诺贝尔物理学奖得主史蒂文· 温伯格透过他书房可以俯瞰奥斯汀湖的窗口观察世界。温伯格被许多人认为是当今在世的理论物理学家中的佼佼者，本书延续了他宽宏的思维风格。这种风格给他带来了很高的声誉，用纽约时报记者詹姆斯·格兰茨（James Glanz）的话说，他是一位“能写出既富有启迪性，又能触动人心的作品的大散文家。”

 《湖畔遐思：宇宙和现实世界》展现了温伯格对从宇宙学到军事、政治、宗教等各方面问题的看法。即便超出了科学范畴，每篇文章仍能折射出他作为理论物理学家的阅历。正如著名的《仰望苍穹：科学和它的文化对手》（Facing Up:Science and Its Cultural Adveraries）一样，这些文章传递出的是一个理性主义者、现实主义者、世俗非宗教人士的观点。每篇文章从一个新增加的介绍开始，解释为什么要写这篇文章，并在必要时对文章内容进行更新。

 作为一个散文家，温伯格坚持观察事物的本质，锲而不舍并充满幽默感。虽然肯定会触怒读者中的那些后现代文化评论家、载人航天飞行或导弹防御计划的拥趸、经济保守主义者、科学社会学家、反犹太复国主义者和宗教狂热分子，但本书提供了与我们这个时代最令人感兴趣的科学大脑之一直面交汇的乐趣。

毫不夸张地说，温伯格无愧于诺贝尔奖的评语：一位真正的智者、卓越的理论物理学家。

——理查德·道金斯（Richard Dawkins）

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