［转载］暗能量八讲（1）

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1998年宇宙加速膨胀的发现，应该是20世界最大的科学发现之一，即使20世纪是充满发现的世纪。宇宙加速膨胀有很多解释，主流解释是暗能量。因为暗能量的存在，宇宙中除了万有引力之外，还有无所不在的斥力，这个斥力和暗能量密度成正比，而暗能量密度是均匀各向同性的，至少目前还没有发现暗能量的不均匀性（当然，目前所有观测都很粗糙，不足以发现比较小的不均匀性）。

下面是关于暗能量的基本数据。令宇宙的总能量密度是，又叫临界密度（这两个密度不一定相等，但观测表明基本相等），那么有




其中h是一个和宇宙膨胀速度有关的量，大约是0.7。那么，暗能量占了以上总能量密度的72%左右。其余的能量为暗物质（23%），物质（4.6%），辐射（小于0.01%）。

暗能量是什么？为什么和总能量密度这么接近？这是天文学家也要问的问题。对于理论物理学家，还有一个问题，暗能量为什么这么小？这个问题貌似无稽，其实很有道理，因为暗能量完全可能很大，和物理学中任何一个能量标度比起来，它实在太小。为了回答这两个问题，物理学家和宇宙学家们提出了千奇百怪的理论，数目比起36岛主72洞主的下属还多，当然面目比起那些人来也更加离奇。

在发现暗能量之前的10年，Weinberg为Rev. Mod. Phys.写了一篇综述文章，将解释宇宙学常数为什么等于0的理论分为5大类。那时，人们还认为暗能量只能是常数。现在，暗能量可以演化，就像宇宙中任何其他能量一样，那么理论分类就不止5大类了。我粗糙地将所有理论分成以下八大类（所以才有了暗能量八讲）：

一、对称性

二、人择原理

三、调节机制

四、修改引力

五、量子宇宙学

六、全息原理

七、引力反作用

八、唯象理论

其中以唯象理论包罗的内容最多。我下面就按这个分类讲，但不一定分8次讲完（可能是10次或更多）。

先从对称性开始。

爱兄是1917年在他的著名的方程中引进宇宙学常数的，那时他第一次将广义相对论用到宇宙学上。牛顿也曾将他的万有引力理论用到宇宙学上，发现问题很大。问题之一是宇宙或物质所占的空间不能是有限的，因为那样的话物质在万有引力的作用下就会塌缩。物质占的空间也不能是无限的，那样的话虽然我们可以勉强将物质平衡住，但一点骚扰整个世界就会崩溃。爱因斯坦发现，他的方程也不允许静态宇宙，虽然他可以认为宇宙在空间上是有限的（比如一个三维球面）。

所以爱因斯坦就引进了一个常数，来抵消在宇宙尺度上的引力效应。到了20年代，宇宙膨胀发现了，他就完全放弃了这个常数。但历史上，很多理论家们时常回到这个常数，一有问题就想到了它。例如，80年代就发现宇宙中的物质密度太小，有人引进宇宙学常数来补充。另外，发现没有宇宙学常数的宇宙年龄太小，也引进宇宙学常数来解决问题。

理论物理学家们觉得宇宙的总能量密度太低，宇宙学常数太小。不论它等于0还是不等于0，都很难理解，于是有人就说，可能是因为某种对称性，宇宙学常数严格等于0.

我们可以举一个例子来说明对称性的好处。假如你发现某个物体的形状是个椭圆，但离心率非常小，比方说小于千分之一，你就会说，形成这个物体的动力学过程包含转动不变性。如果这个物体是标准的球体，你的问题用转动对称性一下子就解决了。如果有一个很小的离心率，那么你就多走一步，说因为某种原因，对称性只是近似的。

同样，很多人试图用这种办法来解释暗能量，或者宇宙学常数为什么这么小。例如，超对称就很好用。如果自然界有这种对称性，那么有一个玻色子就有一个费米子。这些成双成对的粒子除了自旋外所有的性质都很像，例如它们有一样大的质量。玻色子的零点能是正的，费米子的零点能是负的。这样，如果世界上真的有超对称，那么所有粒子的真空涨落贡献的能量严格等于0，宇宙学常数也就等于0。但是我们知道，超对称是被破坏的，就像我们在上一段中说的，最多是近似的（假如LHC看到超对称的话），所以，宇宙学常数不应该严格等于0。

对于绝大多数理论，超对称被破坏了，宇宙学常数不等于0，而且还很大。宇宙学常数大，那么宇宙就会很小。这些理论“预言”宇宙不应该比10个微米更大，这就麻烦了。

有极少数的超对称理论在超对称破缺后能够在经典的层次上将真空能调为0，但绝对不能保证量子涨落也为0。这一类理论叫无标度超引力理论。

Witten同学在应用超对称上最大胆，他说，也许我们的四维世界其实来自于三维世界。之所以是四维的，因为三维世界中的耦合常数太大了，带来了很多很多质量很小的粒子，它们的存在使得宇宙多了一维（这在弦论中是可能的）。好吧，假定他是正确的。他接着说，三维世界的超对称可以不破缺，这样就保证了真空能严格等于0，而且，三维超对称不保证每个粒子都有超对称伙伴。好吧，假如他是正确的。可是，给我们一个例子。回答：还没有。

‘t Hooft同学几年前访问中国，在理论所和大家座谈。谈到宇宙学常数，他说他不相信任何一个理论。对称性是如此有吸引力，以至于使得他离开中国不久后，就提出他的理论。好吧，我也不相信他的理论。他的理论是这样的：虽然我们的时空每个维度看上去是实数轴，其实背后有一个看不见的虛轴，并且，在那个看不见的虚世界，物理规律看上去类似我们的世界。如果要求这个类似性，那么宇宙学常数必须为0。我们可以假定’t Hooft有道理，但是他的理论存在着许多物理和数学困难。

还有一个理论认为，对应于任何一个粒子（引力子除外），都有一个伙伴（看上去像超对称但完全不一样），这些伙伴的能量是负的，而且性质完全是正能粒子的影子，这些粒子叫鬼粒子。比方说，我们知道，一个正能粒子在势能背景中会从高势能的地方走到低势能的地方，将多余的势能转化为动能。而一个鬼粒子会从低势能的地方走到高势能的地方，需要的能量来自于动能，这样它的动能越来越负。这些完全相反的性质，使得鬼粒子对真空能的贡献完全抵消粒子对真空能的贡献。这个理论的还有一个好处，可以解释为什么暗能量不严格等于0，因为引力子没有对应的鬼粒子，所以引力子对真空能的贡献是正的。但为了使得量子涨落有限，必须假定引力的适用范围在几十微米以上-这和目前所有的实验不矛盾。这个理论还有一个特点，真空是不稳定的，因为真空可以衰变成粒子对加一个鬼粒子对。为了保证真空的近似稳定性，必须假定粒子和鬼粒子之间没有直接相互作用。通过引力，他们之间有间接相互作用，但这样引起的真空衰变的几率很小很小。