当前的宇宙学及其问题

1965年，“宇宙背景辐射”的发现（第6章）给予了大爆炸理论的其余竞争者致命的一击。当前的宇宙学框架在经历半个世纪后终于完全清晰：它建立在由亚历山大·弗里德曼和勒梅特自1920年代发表的方程式之上。

不过，大爆炸模型存在着多个版本，而定义它们的一些参数在伽莫夫时代尚未全部获知（今天已经了解得更多，但还并不全面）。宇宙学家们的主要任务之一曾是了解这些版本中的哪一个更好地描述了现实的宇宙。每个模型都由特定“标度因子”演变的精确方程式所刻画，这个标度因子表现了宇宙的膨胀，它的演变率（取它的对数导数作为宇宙时间函数）等同于例如哈勃常数等常量。在几十年越来越精细且引起极大争论的测量后，天文学家们可以将这一常数的估计值精确到百分数（约每秒每百万秒差距67千米）且可估算宇宙的年龄（约138亿年）。

但其他的宇宙参数仍有待明确，甚至有待理解。例如，天文学家们很有逻辑地相信宇宙内除了“普通物质”，还包含有大量的不可见（或隐藏）的物质。这整个的物质——可见或不可见的——应该产生与爱因斯坦方程式相符的引力，理论上它应该减慢宇宙膨胀。我们了解的引力的确总是吸引性的：行星、恒星或星系吸引着其他天体，却从不会推开它们。

然而，1990年代以来进行的测量则表明了相反的趋势：宇宙膨胀似乎加速了！这引起了多位天体物理学家的怀疑，他们的论据涉及宇宙的年龄和星系的形成。这样的加速正是宇宙学常数所预言的，该常数在1917年由爱因斯坦引入，勒梅特也对它很感兴趣（参见后文卡片）。实际上，这一常数代表了引力的相斥效应，它只在整个宇宙的尺度下才会显现出来。而所有的观测（例如对这一加速变化的观测）结果都完全和宇宙学常数的预测一致。

勒梅特曾认为这一宇宙学常数代表的效应可能是由“真空能量”造成的。今天人们重拾这个想法，大量的研究者更愿意设想这一加速可能是来自这样一种物质，叫“异常能量”（énergie exotique，或“暗能量”［énergie noire］）。但这一设想中的组成部分的性质仍是未知的，没有任何理论能够定义它到底是什么……

空间的曲率（在三维中，不可与四维时空中的空间曲率混淆。即便在相对论中，分离时间和空间也总是人为的！）成了另一个宇宙学家们很喜欢的精确估算的参数。爱因斯坦曾提出的模型中空间的体积是有限的且曲率为正，但所有的解决方案理论上说都是可能的。这一弯曲取决于宇宙包含了什么，以及上文提到过的宇宙学常数。只有非常精确的观察（例如宇宙背景辐射，见下章）才能对之进行直接的测量。目前的结果显示了一个非常微弱的空间弯曲，一些研究者甚至认为它的值为零。他们于是讨论的是“平坦宇宙”。但注意，这一平坦不是时空（即宇宙本身）的平坦，而只是空间的平坦！宇宙不可能是平坦的，否则某种意义上，不会有任何膨胀……

宇宙学常数

1917年，在爱因斯坦建立他的第一个宇宙学模型的时候，还没有任何观测指出宇宙处于膨胀中，而他自己也完全没有想到。爱因斯坦方程式的最初形式，让人无法想象一个静态的宇宙。他于是对方程式进行了修改，除了牛顿引力常数，还加入了记为Λ的第二个基础常数。为了想象一个符合当时观测的静态模型，这一“宇宙学常数”——它关乎宇宙在一个巨大尺度上的行为——就变得非常必要。

宇宙膨胀于1920年代末被发现。爱因斯坦于是承认了自己的“错误”（据他所说，这是他生命中最大的错误）并放弃了这一被他认为是无用的常数Λ。勒梅特却继续捍卫该常数，因为它的存在可以使其理论预计的宇宙年龄（其实是错的）与地球年龄相符（见前文）。但是，他的看法在当时是很受孤立的：大部分他的同僚当时都认为Λ为零，也就是说它并不存在……

但随着时间流逝，新的观测结果，特别是关于恒星年龄和星系形成的那些观测结果，逐渐引起了人们对既有观点的疑虑，宇宙学常数恢复了原本的地位，直到1990年代和2000年代戏剧性的一幕出现：对极远处超新星（supernova，恒星爆发）的观测表明宇宙正在加速膨胀。而根据已知的物理定律，物质和能量（以辐射的形式）只能减缓宇宙的膨胀。所以应该是其他事物引起了这一加速，然而它是什么呢？

宇宙学常数恰好能导向观测到的宇宙加速膨胀。然而尽管有这一完美的一致性，一些物理学家仍然不乐意承认这一常数存在。他们更倾向于把宇宙膨胀加速的特性归因于一种想象的外来物质。他们称之为“暗能量”“第五元素”“加速光”（accélérescence！）、真空能量……选择很多！即便直觉上说这一推测是值得关注的，但粒子物理与膨胀加速有关似乎还是令人惊讶。不需要进行计算，粒子物理自然特征的数量级涉及的效应相对于观测结果来说高出太多：超过约10¹²⁰倍（1后面跟着120个零）！最令人惊讶的是某些人提到这个争议时将之称为“宇宙学常数问题”，事实恰好相反，这一问题只有在我们否定该常数存在的情况下才会出现！粒子物理学和宇宙学之间的关系可能十分混乱，我们最终应该重新将这一常数引入广义相对论吗？以上的论证暗示我们应该如此。那么在这种情况下，Λ的地位将与其他物理常数类似：理论无法预测其数值，它只能被测量；这里，它的确是通过宇宙加速（以及其他相应的估算）来测量的。

但从物理学的角度来说Λ到底代表了什么？根据相对论，宇宙内容物使时空弯曲。但这一常数即使在没有任何物质的时空中也会引起弯曲。在1920年代，荷兰天文学家德西特已经提出过真空有着恒定且不为零的时空曲率。在这样的宇宙中“加入”物质，我们就可以得出与我们现实宇宙完全一样的时空！而德西特的模型与爱因斯坦方程式的一个定义明确的解相符：一个拥有不为零的（德西特认为完全是最根本的）宇宙学常数的真空宇宙。它可以被诠释为真空时空的（恒定）曲率。