五、暗物质、暗能量与宇宙常数问题

摘要：本文简要地回顾了宇宙常数、暗物质、暗能量以及奇点问题的提出过程，介绍了有关物理学

和天文学的基础，然后说明了暗物质与暗能量在现代物理学研究中的重要意义。

关键词：宇宙常数、暗物质、暗能量、奇点

“我们至今所能达到的最远的距离为1.5亿光年，但在这个距离内我们已经发现天体在分散着，好像是受了一种扩散力似的。我们暂时在这里这样结论，宇宙斥力已获得胜利，而支配着扩散。” ——A·S·爱丁顿，1932年。

中国科技大学物理学教授李淼说过: “有多少个暗能量的学者,就能想像出多少种暗能量”

北京天文台胡景耀研究员讲：“在数学，天文和物理等学科高度发展的今天，理论界无法解释的天文现象还很多”。（见附录）南京大学曲钦岳院士讲：目前研究主流是采用已知的物理规律去解释新的天文观测现象，很有必要弘扬由已知的天文现象综合新的物理规律的科学方法。对于公转角速度大于或等于其绕转行星自转角速度的卫星或者逆向卫星就不一定成立，如火卫一公转周期，正在每周1毫秒的速度缩短，就无法解释。2003年2月11日，美国太空总署公告当时探测到的宇宙学参数，证明宇宙中确实存在“反引力”，因为观测结果表明许许多多的星系正在“加速远离”，而不是在引力作用下减速。美国著名的《科学》杂志也把“宇宙反重力”的发现列为二十世纪几项重大科学发现之一。

１８９４年，德国的诺曼（Ｃ·G·Neumann，１８３２～１９２５）与西里格（Ｈ·von·Seeliger，１８４９～１９２４）就提出，宇宙中存在无限多颗恒星，每一颗星球都受到四周恒星无限大的引力，当四周的引力作用于某颗星体时，该星体必然被撕得四分五裂。如果“万有引力”定律在宇宙各处都起作用，那么宇宙中不可能存在一颗颗独立的星球，或者说，每一颗恒星都会获得无限大的引力加速度。“引力佯谬”还可引申出“密度佯谬”，即那片密度较小天区的物质会被四周大密度区的天体吸走，而留下一片密度趋于０的“真空”天区。而原先宇宙密度较大的天区会出现一个质量超大的星球，并把周围天区的星球全部吸归己有，成为一个质量与密度无穷大的天体。如果考虑到万有引力与弱相互作用是反作用力，则佯谬便不复存在。

广义相对论有三点困难：1、引力场的量子化至今尚未解决，如使引力场与描述其它相互作用的规范场的统一尚未做到。2、彭罗斯和霍金提出的奇性定理，产生有奇性困难，如时间有开始与终结。3、相对论与热力学的不协调。如整个物理学、天文学中只有广义相对论中的时空是弯曲的，但它没有考虑时间方向性。量子理论同样也没有考虑时间方向性问题。热力学是物理学中唯一考虑时间方向性的一个分支，认为真实的物理过程不应该处在绝对零度，但它没有考虑时空弯曲的特性。《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义的９７个悬而未决的难题： １．自然界是否存在五种以上的基本作用力？５．负引力存在吗？

（一）宇宙常数问题的提出

Einstein说：“只要数学上暂时还存在难以克服的困难而不能确立这个理论的经验内涵，逻辑的简单性就是衡量这个理论的价值的惟一准则，即使是一个当然还不充分的准则。” 他说：“理论物理学的目的，是要以数量上尽可能少的、逻辑上互不相关的假设为基础，来建立起概念体系，如果有了这种概念体系，就有可能确立整个物理过程总体的因果关系。”他还说：“科学的目的，一方面是尽可能完备地理解全部感觉经验之间的关系，另一方面是通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到这个目的。”

Einstein和 D.希耳伯特几乎同时在1915年得到了完整的引力场方程。方程左边是描述引力场的时空几何量，右边是作为引力场源的物质能量动量张量。显然，这个方程反映了Einstein的马赫原理的思想。 谈到广义相对论时，Einstein说：“这理论主要吸引人的地方在于逻辑上的完备性。从它推出的许多结论中，只要有一个被证明是错误的，它就必须被抛弃；要对它进行修改而不摧毁其整个结构，那似乎是不可能的。” 广义相对论不可能是物理理论的终结，寻求一个包含广义相对论基本特点的更普遍的理论，是一种合乎逻辑和经验的努力。为了描述时空中某点的弯曲， Einstein的广义相对论需要有20个坐标的函数来描写。“在解 Einstein引力场方程中，存在着数学上的困难。 Einstein的引力度规张量gμν所满足的场方程是一组10个二阶非线性偏微分方程。除个别例子外，这种非线性偏微分方程的解在满足初始或边界条件之后的唯一性，在数学上还没有得到证明……因此,在物理学中遇到一些非线性偏微分方程只能用实验来检验接的正确性。”另外,“在 Einstein场方程解中存在着解的不确定性。 Einstein的度规张量gμν共有10个分量，满足上面提到的10个分量场方程。但在这10个偏微分方程中存在着Bianchi恒等式的4个偏微分关系。也就是说，gμν的10个分量只满足6个独立的方程，因此它们的解是不确定的。”

1916年，Einstein在分析宇宙时发现，根据广义相对论，宇宙是不平衡的，它要么是膨胀，要么是收缩。如果仅仅存在万有引力，那么星系之间应吸引而相互靠近，宇宙应是在收缩。为了使宇宙趋于平衡而完美，Einstein给宇宙方程加了一个常数。1917年，Einstein提出，宇宙间存在一种与万有引力相反的力量，使所有星系保持一定距离，这样宇宙才不会因星体间的万有引力而不断收缩。Einstein认为这种与万有引力相反的力量是恒久不变的，称之为“宇宙常数”。Einstein场方程为R_μν— 0.5g_μνR+υg_μν= —8πGT_μν，υ称为宇宙常数，由于增加了υg_μν项，该方程在稳态、弱场非相对论近似下，回不到引力方程。因此只有假定υ非常小，在一般space-time范围与Newton引力势相比可以略去，上面的场方程才可能成立。故υg_μν项，只有space-time在宇宙级上才有显示。

当代著名的天体物理学家F. Hoyle等人强烈主张稳态的宇宙模型，并作了许多工作。但如不从根本上找到Newton万有引力理论和Einstein广义相对论本身的缺陷，则很难建立令人信服的稳态宇宙模型。【1】自从牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出万有引力定律以来，人们应用引力理论取得了许多成就，也多次试图对该定律进行修正。如：纽科（Newcomo）等人曾提出修正牛顿引力中的平方反比律【3】，Poincare用推迟时t=r/c修正牛顿引力的瞬时超距作用【4】，Einstein则对应提出广义相对论----引力理论，至今，许多人还在从事这方面工作，吕家鸿应用相对论理论直接对牛顿万有引力定律进行修正【5】^，【6】，国外，也有人试图从测量万有引力常数变化中，找出第五种基本作用力【7】，[美]R.D.Newman还通过实验提出系数公式 【8】。

牛顿理论导致其在宇宙论方面的困难，按照牛顿的理论，来自无限远处而终止于质量m的“力线”的数目与质量m成正比，如果平均说来质量密度ρ，在整个宇宙中是一个常数，则体积为V的球，即包含平均质量ρV。因此，穿过球面F进入球内的力线数目与ρV成正比，对于单位球面积而言，进入球内的力线就与ρV/F或ρR成正比，因此，随着球半径R的增长，球面上的场强最终就变为无限大，而这是不可能的【9】。爱因斯坦的广义相对论场方程如下: Gµν = 8πG Tµν + Λgµν (1) ，Gµν是描述时空几何特性的爱因斯坦张量. Tµν 是物质场的能量-动量张量. Λgµν是宇宙学项,其中 Λ 被誉为宇宙学常数. Λgµν 具有排斥力,它是爱因斯坦为了保持我们宇宙中引力和斥力的平衡后来才加进去的. 为了便于分析,Tµν 可分为下面三项: Tµν = T¹µν + T²µν + T³µν (2) 。

按照当今的较准确的观测和理论计算, T¹µν ≈ 4%Tµν,^[3] T¹µν 代表可见的有引力的普通物质, 如星星星际间物质等.根据对许多星系旋转速度分布的观测和理论计算, T²µν ≈ 22%Tµν,^[3] i.e. T²µν ≈ (5 ~ 6) T¹µν. T²µν 代表有引力的不可见的暗物质. T³µν ≈ 74% Tµν,^[3] 它就是 除 (T¹µν + T²µν)之外的所谓的暗能量. 暗能量与 (T¹µν + T²µν) 一起的总量必需品能保持我们宇宙的平直性和 (Ω→1),即Ω = ρ_r / ρ_o ≈1.因为Guth 和 Linde所提出的宇宙暴涨论的预言以及宇宙动力学均要求宇宙的平直性和Ω = ρ_r / ρ_o ≈ 1,也就是要求宇宙的实际密度 ρ_r必须极为接近其临界密ρ_o. 近来,许多较准确的观测已证实Ω = 1.02 ± 0.02 ，而较好地符合理论的要求. 当然,这里所提到的暗能量是指具有有引力暗能量.

然而,为了解释新近对遥远的Ia型超新星爆发所发现的宇宙的加速膨胀,许多科学家提出了一些新理论.他们将 ( T³µν + Λgµν)合并到一起成为 Λgµν, 认为 Λgµν 是 (T³µν = 74%Tµν) 而具有排斥力的未知的和神秘的暗能量. 新理论最著名的代表是量子场论. 在该理论中,把 (T¹µ+ T²µν = 0) 当作真空状态,或者说是最低能量状态或量子场的基本态, ^[4] 也是微观宇宙的零点能. 而将宇宙中(T¹µ+ T²µν ≠ 0)的宏观能量物质即普通物质作为量子场的激发态. 对宇宙真空状态的观测到是非常符合于 (T¹µν + T²µν) = 0, 于是, Λgµν 正好作为具有排斥力的T³µν的真空能. 不幸的是,按照量子场论所计算的 Λgµν值比在真空中实际的观测值要大10¹²⁰ 倍. 由于这种原因,用量子场论来解爱因斯坦的广义相对论场方程就会遇到无法克服的困难. 很显然, 由量子场论所计算出来的如此庞大的真空能量值是无法保持宇宙的平直性和使张量Gµν 在爱因斯坦的广义相对论场方程中与实际的观测值相符合. 量子场论似乎把真空能量当作 “无限的免费午餐”. 在宇宙中任何一点究竟储藏有多少真空能量和能被取出来多少? 为什么从真空中出来的负能量不和宇宙中现有的正能量发生湮灭? 如何使74% 的具有负能的暗能量 Λgµν保持宇宙的真实的平直性? 用量子场论解决上述问题就难免不违反宇宙的根本规律—因果律.由此可见,任何新理论,包括量子场论在内,如要恰当的解释我们宇宙的加速膨胀就必不可违反宇宙的平直性,而且要使Ω 比当今的准确的观测值 (Ω = 1.02 ± 0.02)还要准确.

尽管希来哲对此困难进行修正，但这些修正和复杂化，既无经验根据亦无理论根据。Einstein广义相对论在宇宙论方面的困难，根据广义相对论可推出宇宙的空间尺度与宇宙的物质平均密度之间的简单关系为：， 其中，在cm.g.s制中，得出2/k=1.08×10²⁷；ρ是物质的平均密度，k是与牛顿引力常数有关的一个常数【10】。实际的平均宇宙密度，无论怎么小，都不可能为零，因而R总是有限的，无论宇宙是准球形，还是准椭球形，按此理论，宇宙总是处于一个有限的空间，对此，Einstein曾说“要建立一个既反对‘灭绝论’，又承认星体的速度很小的边界条件是不可能的”，按W.泡利的说法“宇宙空间是有界的” 【2】。

带电体静电能相互作用能与自能的有关理论也可以推广至引力场，可以进一步探讨自能与引力能之间的关系。例如一个半径为R、 引力质量为m的均匀球体引力自能为W_自= 3Gm²/5R，令W_自=mc², 得m/R=5c²/3G,R=3Gm/5c², 根据此可得电子的半径约为4.04646×10^-60m，而电子的经典半径约为2.8×10^-15m，说明电子并未达到最大密度或者说存在与万有引力相反的作用力， 因为宇宙中物体的最大密度ρ=m/V=3m/（4πR³）=125c⁶/(36πG³m²)，所以随着引力质量的增加，密度将逐渐减小，与经典观念差异很大，因此物体之间应存在反引力，它就是Einstein所提到的宇宙常数。２００１年，剑桥大学的天体物理学家迈克尔·墨菲领导的一个小组分析了几十亿光年外一些类星体的光谱，发现其中金属元素谱线有微小变化。

（二）暗物质问题的提出

在新世纪之初，美国国家研究委员会发布研究报告，列出了在新世纪需要解答的11个与宇宙有关的难题，并同时建议美国政府的研究机构加强协调，集中资源为这些难题寻找答案.这份题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的报告，是由19位权威物理学家和天文学家联合执笔.科学家们在报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重.“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”，在报告所列出的11个大问题中分列为第一位和第二位。

李政道在《科技导报》2005年第5期上发表的专稿《在我的祖国纪念Einstein》，其中关于能量，有以下四段话：“我们人类能感知到的常规物质的能量（也就是已了解部分的宇宙），只占整个宇宙能量的5%或者更小些，其它95%的能量都不是由我们现在所知的物质构成的。”“我们宇宙中的能量大多数是暗物质和暗能量，既看不见，也不知道是什么东西。暗物质对所有我们能测量的光、电尝磁尝强作用（核的能力场）都不起任何作用，可是，暗物质有引力场（地心吸力就是引力场）。通过引力场我们知道有暗物质存在，而且，暗物质的总能量比我们这类物质的总能量要大了5倍，或5倍以上。可是对暗物质的其它性质，我们完全不知道１“暗能量的性质更是奇怪，它能产生一种负的压力。Einstein在20世纪早期就曾假设过负压力这种性质的存在。后来，因为没有实验的支持，Einstein就放弃了这一个方向。在裂变和聚变反应中，反应前后物质的质量有少量的差异。按照Einstein的著名质能公式E=mc²，这些少量的质量差异能够转化为巨大的能量。而暗能量可以将物质质量全部消失，完全转化为能量１“最近几年，通过哈勃太空望远镜，我们发现，我们的宇宙不仅是在膨胀而且是在加速地膨胀。从它膨胀的加速度可以推算出，它是由于一种负压力也就是暗能量的存在才膨胀的。而这暗能量的总量占据全宇宙能量的70%。”

麦克斯韦在1879年即将逝世时强调写道：“在形成一个前后不出现矛盾的以太结构的问题上，不论我们有多大的困难，而行星际之间和星际之间决不是空无所有的，而是被我们所不大了解的而且可能是最均匀的无疑是最大量的物体或物质实体所占据。”宇宙中普遍存在着“暗物质”（目前未能科学证实的物质存在形式），有三点确认的证据：一是可观察宇宙具有确认的扁平体结构，这是宇宙背景辐射探测器和威尔金森各向异性探测器一致得到的观察结论。既然是扁平体的宇宙结构，就必然有相应的宇宙总质量密度。二是得到天文观察证明的星系或星系团的运动学质量值，这些我们已知的物质量，充其量只能满足这个扁平体结构所需要的总质量密度的4%。三是螺旋星系内部空间的运动学效应，例如要保持太阳目前在银河系中的运动速度（每秒220千米），如果需要太阳所在位置的质量为1个单位的话，太阳实际的质量只占2.6%，97.4%的质量真还不知道藏在什么地方。问题的严重性只需要用一句话就可以概括了；如果20世纪的科学理论只能让世人面对4%（或2.6%）可看得见的物理学天空（现有科学理论适用的范围），问题该有多么严重。

由于真空的特殊地位，李政道等许多理论物理学家都认为：现代物理的疑难可能都与真空有关。李政道教授说:暗物质的存在有什么根据呢？现在我重点讲一下。我们随便看一个星系，它的直径大约为20千秒差距（Kiloparsec）。在星系的周边，随便哪个星，哪个灰尘或者气体云，都各以某一速度运动，离心力是速度的平方除以那一物体离中心的距离r，这个离心力应跟引力相平衡，引力是牛顿常数跟星云里的质量相乘，除以r的平方(即公式 ,等式左边是重力加速度,右边是圆周运动的向心加速度,李政道教授在这里说的离心力,是因为物体在作圆周运动时,向心力与离心力的大小是相等的.).所以如果你已知某个星体离星云中心的距离r，我们测量这个星体的速度V,就可以算出在这个星云里面有多少物质存在。以星系NGC3192为例，它的发光区域长约15千秒差距，但是到距离中心30千伯色处，星的速度还在增加，这表示除了看得见的物质外还有绝大多数是看不见的物质。看得见是什么意思呢？除了眼睛看得见，也包括用电磁波、红外光可以测量。看不见的暗物质不放可见光、红外光或电磁波，但它也有万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度不随距离的增大而减少。这种现象不是个别的，对所有测量过的967个星系，所有测量结果都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里面绝大多数的物质都是暗物质.(引自 李政道.《物理学的挑战》。【11】

从20世纪70年代开始发现，在螺旋星系的外面区域观测到的恒星旋转速度和从星系的可见恒星分布按牛顿定律预见的公转速度之间存在偏差，天文学家认为存在着更多的物质不能被观察，称为暗物质。80年代以前，天文学家认为暗物质与普通物质没有任何区别，然而星系形成的现代研究使宇宙学家相信暗物质中的可以观测到的部分必须具有和普通物质不同的形式，例如轴子、中微子等，现代基本粒子理论预言WIMPS粒子，但在实验上并没有被观测到。看不见的暗物质不放可见光、红外光或电磁波，但它也有万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度不随距离的增大而减少。这种现象不是个别的，对所有测量过的967个星系，所有测量结果都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里面绝大多数的物质都是暗物质.中国科学院何祚庥院士认为，宇宙中是否除质子、中子，电子等“会”发光的物质以外，还存在着在原则上就不会发光的物质，或者说宇宙中是否存在占95%以上的暗物质和暗能量亦即透明物质的问题，这是当前宇宙论研究中一个重大的热点。其实，在宇宙学的领域，直到现在也还没有解决“何谓暗物质”？暗物质有两种形式：一是热暗物质；二是冷暗物质。热暗物质的最佳候选者是中微子。但中微子构成暗物质的前提，是三种中微子之中，至少有某一种中微子具有静止质量。至于冷暗物质，一般公认为带有超对称性质的中性重粒子。

去年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了这一模型。这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就。WMAP的结果告诉我们，宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量,SDSS也给出类似的结果。从物质基本结构的观点出发，普通的物质，如树木、桌子以及我们人类本身，是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的，目前已知的最基本的粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的粒子（如光子，胶子等）。北京正负电子对撞机就是系统地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)轻子。

大量间接证据表明，宇宙中确实存在着暗物质。―种理论认为，暗物质是由弱相互作用大质量粒子（Wimp）构成的。计算机模拟显示，如果缺少了这部分物质，就无法构成现实的宇宙。但由于暗物质本身的特性，要直接找到它们极为困难。证实暗物质存在的最有效方法，就是找到弱相互作用大质量粒子。

（三）暗能量问题的提出

《科学》杂志2004年第10期的劳伦斯·M·克罗斯专访中提到：目前最让物理学家困惑的问题有三个：A、暗能量的本质是什么？B、怎样调和黑洞蒸发与量子力学？C、是否存在额外维度？

自从牛顿提出万有引力定律以来，有关引力机制问题一直未得到完全解决。实验和研究证明引力统治着整个宏观世界,自从天文学家证实有暗能量存在以后，统治宇宙的不再是仅占4%可以看得见的物质之间的引力作用，而是一种称之为“暗能量”的反引力作用。于是人们重新审视了太阳和其邻居比邻星（4.28光年）的关系，发现太阳的经典引力范围仅有0.055光年（它包括最近发现的太阳系第10号行星），即相当于现在的太阳系边缘（柯伊伯峭壁）的70倍，也就是说97.4%的范围变成了反引力的表达，它和太阳在银河系中的质量表达相一致。同一个太阳，为什么有两种方向相反的引力和反引力的表达？问题的严重性就在于太阳的物理学天空是透明的，反引力（暗能量）能藏在什么地方呢？后来，科学家在实验室里又发现了冷中子的反常表现。人们看到，不论何种分子构成的物质，等效原理总是成立，既然冷中子具有静止质量，理应遵循这条规则，然而实验却替冷中子作了“不”的回答。同一个中子，也有两种引力的表达。20世纪的引力理论显然对此无能为力。

1916年，Einatein把狭义相对论进一步上升为广义相对论，建立起一种几何化的引力理论，把引力归结为物质的存在所导致的“时空弯曲”，取得很大成功。1929年，Hubble通过天文观测提出了反映星系退移速度与距离关系的哈勃定律；1937年，P.Dirac提出大数假说【13】，推测引力常数可能反比于宇宙时标，原子尺度等微观量也可能随着宇宙的膨胀而发生相应的变化。在由Brans—Dicke建立的标量——张量引力理论中，引力常数被认为是与宇宙的质量密度相关，当考虑膨胀宇宙模型时，理论上预言了引力常数随时间减校进而有多种不同的实验，探讨引力常数的变化规律【13】【14】。1965年，K.L.Stanjukovich从Einatein引力场方程出发并类比给出本底引力子，其能量约为10^-51 焦耳，还推断哈勃常数Ho即是本底引力子频率【15】。1975年，S.Malin把宇宙膨胀与物质静质量变化联系起来，指出随着宇宙的膨胀，静质量约按10-10/年的比率而减少【16】。对于宇宙的膨胀，现在大都倾向于宇宙大爆炸理论的解释，并认为引力起着减缓宇宙膨胀速度的作用。1998年，发现宇宙实际上在加速膨胀，令人们感到震惊和困惑，激发了对可能支持膨胀理论的寻找。目前，对宇宙加速膨胀的一种解释是假定存在着一种“暗能量”，它和引力作用相反，推动着宇宙膨胀的越来越快。天文学家发现，在遥远的宇宙空间（约50亿光年），1α型超新星的红移值明显变大了。就是说宇宙在加速膨胀，宇宙膨胀不仅有大爆炸发生后的余力，还有一种根本不了解的反引力存在。按照20世纪的科学理论，就必须存在着一种普通的相互作用力保持着空间结构向外扩张，这就是科学界通常所称的“暗能量”。“暗能量”会是什么呢？我有位朋友持否定态度，他怀疑这些观察有失误或作秀的嫌疑，我向他提了两个问题：一是地球和月球之间，引力的大小与距离平方严格成反比，也就是说纽康系数为零；而行星之间或地日之间，还需要增加1个纽康系数，或者说有一部分引力被反引力抵消了，这是一种什么样的反引力？既然类地行星就有，地面实验室也应该有，我给他设计了一个实验：过冷中子的反引力表达在午夜（24：00）时有1个极大值，在正午（12：00）时有1个极小值，对超流体的多普勒测速也能得到相同的结论。这些实验，有条件的人都可以重复，这是实实在在的一种反引力，您能解开这个死结吗？这是过去任何一种理论都无法解析的。

1998年以来，为解释宇宙加速膨胀运动，一些科学家又提出“暗能量”概念，认为暗能量作为一种巨大的斥力在推动宇宙加速膨胀。揭示宇宙中这两种“黑势力”之谜成为了当前宇宙学的最大一个热点。日前，美国范德比尔特大学的理论物理学家罗伯特·谢勒提出一个新模型，把这两个谜缩减为一个，即认为暗物质和暗能量只是单一一种未知力量的两个方面。6月30日一期《物理学评论通信》杂志上刊载了描述他的这一模型的一篇文章。他说：“思考这个问题的一个方式是：宇宙充塞着一种看不见的流体，这种流体会对常规物质施加压力，并改变宇宙扩张的方式。”谢勒认为，他的这一模型极其简单，并可避免先前试图把暗物质和暗能量统一起来的一些理论模型中的困难。谢勒在其理论模型中，把暗物质和暗能量统归为一种称为“标量潮的奇特能量形式。这种能量场有着严格的定义，而且性质复杂。在此，“潮是指一种具有能量和压力、遍及整个空间物理量。宇宙学家最先是用标量场来解释宇宙大爆炸之后的暴涨过程。根据暴涨理论，宇宙在大爆炸后即经历了一个持续时间不到一秒但暴涨了几万万亿倍的急剧膨胀过程。谢勒在其模型中引入了一个第二代标量场，称为“K-本质”。“K-本质”这一概念是由普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯泰恩哈德等人为解释暗能量而提出来的，但谢勒是第一个指出一种简单的“K-本质”标量场也可以用来解释暗物质的人。科学家们之所以提出“暗物质”和“暗能量”两个不同概念，原因是它们的表现不同。暗物质好像有质量并会形成巨大的团块，宇宙学家事实上计算出这些暗物质团块的引力作用在使常规物质形成星系的过程中起了关键作用。而暗能量相反地似乎是没有质量的，并均匀分布在整个宇宙空间，其作用与引力相反，是一种斥力，把宇宙推散开来。“K-本质”标量场能随时间而改变其行为。谢勒在研究一种非常简单的“K-本质”标量唱—其中潜在的能量是固定的——时，发现这种标量场在其演化的某一个阶段时会发生团聚，导致看不见的暗物质粒子的效果，而随后在另一个阶段则会均匀分布在整个空间，具有暗能量一样的性质。谢勒说：“这个模型在一段时间很自然地演化成一种像是暗物质的状态，然后又进到像是暗能量的状态。当我认识到这一点时，我想，‘这看来很有启发意义，值得好好研究一下。’”于是，谢勒更详尽地检查了这个模型，发现它不会产生先前那些试图把暗物质和暗能量统一起来考虑的理论模型的困难。

1915年，Einstein发表他的广义相对论。1917年，他将广义相对论公式应用到整个宇宙，指出宇宙正在膨胀。那时，科学家们相信宇宙是静止不变的，宇宙膨胀的理论似乎是荒谬的。面对着不符合“常识”的公式，Einstein觉得唯一的选择就是引进一个附加因素，以使他的理论导出一个静止不变的宇宙。而到20世纪20年代晚期，天文学家发现宇宙的确在膨胀，因此Einstein的附加因素是不必要的。一位名叫艾伦·古思的美国年轻理论家1981年发表了一篇革命性的文章，认为“大一统理论”说明一种极为强大的宇宙力可能在大爆炸中出现，导致宇宙不可思议地快速膨胀。尽管古思的观点某些细节还有缺陷，但其他理论家抓住了“宇宙膨胀”这一基本观点，这主要是由于它从技术角度解决了大爆炸的一些难题。现在天文学家必须解释为什么曾经普遍的宇宙常数在大爆炸发生几个月之后就完全结束了。在20世纪80年代，霍金等人试图找出能够解释宇宙常数为何消失的论据，但没有一个人令人信服。美国获得诺贝尔奖的物理学家温伯格因此声称，宇宙常数是物理学上一个名副其实的危机。10年后的1998年，这个危机被天文学家证明，宇宙常量在大爆炸后根本没有结束，而是似乎继续在宇宙中起作用。并从重力手中夺得了控制权，以前所未有的速度推动宇宙膨胀。这种力量很快被称为“暗能量”。

最早描述暗能量的理论模型是修改广义相对论，引入“宇宙常数”这个量。“宇宙常数”是Einstein建立静态宇宙模型时提出的一个概念，为的是和引力作用平衡，防止这样的宇宙模型在引力作用下收缩成一个点。但是，在天文学家观察到宇宙在膨胀后，Einstein放弃了这个概念，因为他觉得这个概念已经不必要了。现在一些解释暗能量的理论模型重新引入“宇宙常数”概念，可以在很大程度上说明暗能量所导致的效应，但是这并不能解释暗物质。一种试图把暗物质和暗能量统一起来的努力是恰普雷金气体模型，这种理论模型以一位俄罗斯科学家上世纪30年代的工作为基础，能够先形成类似暗物质的状态随后形成类似暗能量的状态，但它不能说明星系的形成过程。今年初，哈佛大学的尼玛·哈卡尼-海默等人也提出了一种把暗物质和暗能量统一起来的模型，他们认为暗物质和暗能量是由一种看不见的、无所不在的流体的不同行为导致的，他们把这种流体称为“幽灵冷凝物”。这个模型和谢勒的模型有类似之处。谢勒本人承认，尽管他的模型有许多积极特征，它还是有一些缺陷。例如，它需要特别细微的“微调”才能使模型工作。谢勒本人还警告说：还需要进行更多的研究来判断该模型的表现是否和其他观察材料相一致。另外，这个模型也不能回答这样一个“巧合”问题：为什么我们生存在一个计算所得的暗物质和暗能量的密度大体相当的时期？许多科学家怀疑这是否意味着目前的时期有什么特殊之处。1970年Isaak做的转动圆盘上的穆斯堡尔效应实验给出的以太风速上限只有0.05m/s，如何解释？其实，穆斯堡尔效应实验能证明的仅仅是：以太风昼夜变化的差不大于0.05m/s【12】

2004年，美国空间望远镜科学研究所以里斯为首的小组宣称，他们测量了哈勃空间望远镜新发现的红移值达到1.6的16个Ia型超新星，发现宇宙明显地是在40～60亿年前之间开始加速膨胀的。他们认为，这是当空间中物质密度因宇宙膨胀稀薄到一定程度时，暗能量的斥力胜过物质间的引力吸引所致。暗能量究竟是什么？一种意见认为，暗能量就是Einstein在用广义相对论说明宇宙时，为使宇宙模型维持静止状态而引进的宇宙常数所标志的暗能量。其主要特征是能量密度在宇宙历史的所有时期保持不变，是一个恒量；另一种意见认为，是充斥在空间中的第五要素，这种形式的暗能量不是恒定不变的，因时间和空间而异。若是前者，宇宙膨胀一直以相对平稳的方式进行，恒星、星系和星系团也一直保持在一起；若暗能量是后者，则有可能使宇宙膨胀得越来越快，以至于使恒星、行星，甚至于原子产生破裂状态。近几年来，由于微波背景辐射的细致观测，也导致了以下一些惊人的结果：a)宇宙年龄是137±2亿年；b)哈勃常数是0.71±公里/秒/Mpc;c)宇宙呈现以下结构，宇宙总质量(100%)≌重子+轻子(4.4%)+热暗物质(≤2%)+冷暗物质(≈20%)+暗能量(73%)，而总密度Ω0=1.02±0.02，亦即恰好差不多等同于平直空间所要求的临界密度。由此可以推断出，我们的宇宙经历了一个先减速后加速的膨胀过程，原因就是暗能量的负引力作用和物质的引力作用综合决定宇宙的膨胀速率。通常物质(包括暗物质)的特点是：如果状态方程由P=Wρn所表示，(其中P是压力，ρ是密度，W是某一常数，n是某一数值)，那么对普通物质恒有W≥0，而暗能量的状态方程却是W=-1。W=-1，意味着压力P是负值，而在通常的状态方程中，压力P是正值。过去，物质的密度越大，压力P越大，而现在压力P却“负”得越大！即我们宇宙中必定存在的一种新物质形式——暗能量，与普通物质显著不同的是：具有“负引力”，而物质具有引力。暗能量大约是宇宙总成分的70％。在任何一个给定的空间里，暗能量的负引力作用很校在日常生活之中不会被感觉出来，但在广漠的宇宙空间中，其作用非常强大，足以使星系和星系团分开。关于它的深入了解，将对我们了解时间、空间、物质和能量，具有关键作用。

天文学家认为，如果50亿光年以远的深处的1型超新星的光度可以作为有效的标准烛光，宇宙中就还应该存在一种与引力作用相反的斥力，表现为与引力相反的能量——暗能量。美国著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者史蒂文.温伯格认为，宇宙常量（即暗能量）是物理学上一个名副其实的危机。天文学家按已有的知识和认识将宇宙物质的类别和分额的落阔勾画如下：物质占35%，其中5%是发光和不发光的已知天体，30%是暗物质；暗能量占65%。暗物质分为重子暗物质（例如星系际星）和非重子暗物质。非重子暗物质可能有：有质量的中微子、光微子（photino）、引力子(graviton)、引力微子(gravitino)、中性微子(neutralino)、轴子(axion)等。李政道(T.D.Lee)：“整个宇宙至少90％以上（很可能99％以上）是暗物质，而→ 不是已知的物质。” 李政道(T.D.Lee)把这个问题列为21世纪当代科技所面临的四大问题之一，暗物质与暗能量的发现列为2003年十大科技发现的第一位。

（四）对于暗能量的质疑

据新华社电通过对遥远星系团发出的X射线进行观测和分析，欧洲航天局科学家最近得出了与暗能量理论不符的结果。不过专家指出，新结果是否意味着人们一直探讨的宇宙暗能量“或许并不存在”，仍需更多的观测研究来证明。 Einstein的广义相对论做出过暗能量的假设。据推测，不可见的暗能量可能占据了宇宙质量的大部分，能够产生与引力相反的排斥力，这也许可以解释为什么宇宙会出现加速膨胀现象。关于暗能量理论目前仍有争论。一些科学家认为，要验证暗能量是否存在，办法之一是比较各星系团中炽热气体的比例。 星系团由成百上千个星系组合而成，其半径达数百万光年。星系团的特点之一是其中有大量炽热气体，温度在1000万到1亿摄氏度之间。欧洲航天局的XMM牛顿天文望远镜最近捕捉到了古老的遥远星系团发出的X射线。科学家对此进行分析后得出了这些古老星系团中炽热气体所占的比例。他们将这些数据与距地球最近也就是最年轻的星系团中炽热气体所占比例进行了比较，结果发现二者没有差别。 科学家称，新获得的观测结果表明，炽热气体比例在古老星系团和年轻星系团中都是一样的。他们认为，只有假设宇宙中没有暗能量才能解释这一现象。

1981年，伊丽萨白·A·劳舍尔博士解决了纯粹想象时—空中的麦克斯维尔公式。该结果表明该解决方案是全solitons的〔非弥散波；海浪是这样的例子〕。在超球面中，一个复杂的〔具有涉及-1平方根〕超球面是允许的，因为它能够解释子粒子对称性的根源〔复杂球面的振动造成了它〕。数年前在AAAS会议上我了解到，如果电磁soliton能够发射到宇宙空间中，它将破坏其对称性并造成物质。黑格斯〔Higgs〕粒子破坏对称性而创造夸克〔quarks〕。一个电磁soliton将破坏对称性；因此，看来我们具有描述在想象中的超球面中如何通过挠乱创造物质的数学工具。此外，是否可能由于想象中的〔相〕宇宙的超球面的振动造成了重力本身？

参考文献：

1何香涛，乔戈，“霍伊尔和他的稳恒态宇宙”，《自然辨证法研究》，Vol. 9, No. 1, 1993。(He Xiangtao, Qiao Ge, “Sir Fred Hoyle and His Theory of Steady State Universe”, Studies in Dialectics of Nature, Vol. 9, No. 1, 1993.)

2W.泡利，《相对论》，凌德洪，周万生 译，上海科学技术出版社，1979。（W. Pauli, THEORY OF RELATIVITY, Pergamon Press, 1958.）

3 周培源，“论Einstein引力理论中坐标的物理意义及场方程的解”，中国引力与相对论天体物理讨论会，1981年。

4 See, W. Deritter, Mon. Not. R. Astro. Soc. 7l, 388（1911）

5 吕家鸿，“对牛顿万有引力的一种可能的修正”，《中国科技大学学报》，No. 1, 1984。

6 吕家鸿，“修正牛顿万有引力定律的哲学意义”，《自然辨证法研究》，Vol. 2, No. 1, 1986。

7 A. P. French, 汪培伟译，“宇宙间第五种基本力”，《世界科学》, No. 3, 1987年.

8 R. D. Newman, Tests of the Gravitational Inverse Square Law on Laboratory Distance Scale, Presented at The third Marcel Grossman Meeting on Recent Development in General Relativity, Shanghai, China, September, 1982.

9 W. G. V. 罗瑟，《相对论导论》，岳曾元，关德相 译，科学出版社，1980。 （W. G. V. Rosser, AN INTRODUCTION TO THE THEORY OF RELATIVITY, Butterworths, London, 1971.）

10 A. Einstein，《狭义与广义相对论浅说》，杨润殷 译，上海科技出版社，1979。（Albert Einstein, RELATIVITY The Special and The General Theory, Methuen & Co. Ltd. London, 1955.）

11 李政道——科学的发展：从古代中国到现在. 朱长超主编.《世界著名科学家演讲精粹》 百花洲文艺出版社 1995年3月第1版 第3次印刷

12 （美）J.D.杰克逊 著《经典电动力学》（高等教育出版社1980年5月第1版第46～51页）

13 Dirac P A M. The cosmological constants.Nature,1937,139:323

14 Chin C W,Stothers R. Limit on the secular change of the gravitational constant based on studies of solar evolution. Phys Rev Lett,1976,36:833–835

15 Long D R. Experimental examination of the gravitationa inverse square law.Nature,1976,260:417-418

16 K.L.Stanjukovich: Gravitational field and elementary particle. Moscow science publishing house ,1965,208-210

附录1:哈勃望远镜发现暗物质环 跨度约有260万光年 2007年05月16日 13:07:12

这张由哈勃太空望远镜拍摄的照片显示的是太空中一个跨度约为260万光年的暗物质环。美国宇航局15日报告说，一个天文学家小组利用哈勃太空望远镜探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质。天文学家们称，这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据。

附录2:新华社/路透 新华网华盛顿５月１５日电（记者张忠霞）美国宇航局１５日报告说，一个天文学家小组利用哈勃太空望远镜，探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质。天文学家们称，这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据。 所谓暗物质是指宇宙中存在的一种不明性质的物质粒子，它的电磁放射和折射非常微弱，所以不能被直接探测到。按照天文学界目前流行的理论，暗物质才是宇宙物质的“主宰”，而我们肉眼能见的普通物质如恒星、行星，所占质量只是宇宙中很小一部分。暗物质不能被“看”到，但可测量到其存在的痕迹。 天文学家介绍说，借助“引力透镜”效应探测到的这个奇特暗物质环位于距地球５０亿光年的一个编号为“ＣＬ００２４＋１７”的星系。

附录3:

暗能量合作计划先行一步 成为超越爱因斯坦计划领航员

作者：刘霞 来源：科技日报 发布时间：2007-9-11 9:56:20 小号字 中号字 大号字

美国国家研究委员会的最新报告声称，美国宇航局和美国能源部将把“暗能量合作计划（JDEM）”作为“超越爱因斯坦”计划的第一步来先行实施。 报告说，本来，使用空间激光干涉天线探测引力波的计划应是“超越爱因斯坦”的旗舰计划，它由美国宇航局和欧洲空间局联手进行。然而，在空间激光干涉天线被发射到太空以前，需要做大量测试，且必须等待欧洲空间局2009年升空的“探路者”的结果。因此，“暗能量合作计划”是目前最具技术可行性的选择。 美国宇航局的“超越爱因斯坦”计划是在2003年出台的，主要目的是针对爱因斯坦提出的一些最基本问题进行新的探索，研究黑洞并追溯宇宙大爆炸。它计划2009年上马，由两个天文学观测计划——空间激光干涉天线和“星群－X计划”组成，包括黑洞发现者探测器及暗能量探测器等一系列探测器。黑洞发现者探测器用于更大范围地搜索太空，来寻找黑洞线索，帮助科学家为“星群－X计划”挑选目标；暗能量探测器则将通过观察超新星，使天体物理学家依靠导向目标，追踪暗能量的属性。在国会和科技政策办公室支持下，美国宇航局和美国能源部要求该委员会对这5个项目进行评估，推荐一个“领头羊”。 美国加州大学环境和可持续发展研究专家查尔斯·科勒说：“‘超越爱因斯坦’计划可能改变我们对宇宙的理解。‘暗能量合作计划’可以直达计划的核心，最具有技术可行性。同时与其它任务相比，并不需要很大的技术改进。” 研究人员最感兴趣的是宇宙扩展的速度是否随时间而改变。迄今为止，在该领域，科学家已开始研究超新星加速探测器、暗物质太空望远镜和高级暗物质物理望远镜。“暗能量合作计划”可能建立在其中一个或几个的基础上。 2004年1月，布什总统宣布，美国宇航局将集中精力在机器人和对月球、火星的探索上，“超越爱因斯坦”计划因为与这一目标不吻合而被搁置。2004年8月，美国宇航局和欧洲空间局达成协议，双方将联手完成“超越爱因斯坦”计划，总投入高达10亿美元。但是，由于目前的技术还需要较大改进，因而造成了成本大幅超额，致使计划再次搁浅。