宇宙学常数通常用希腊字母 表示,是广义相对论中的一个参数,即使在没有普通物质的地方,也会对时空曲率产生贡献。它既可以从几何角度解释,也可以解释为均匀的真空能密度。正的宇宙学常数能够驱动宇宙加速膨胀,是Λ冷暗物质模型(CDM)中对暗能量最简单的描述。暗能量是一个更广泛的概念,并不一定表现为宇宙学常数。(doi.org)
数学定义
采用度规符号约定 时,包含 的爱因斯坦场方程为
其中, 是爱因斯坦张量, 是度量张量, 是能量-动量张量, 是牛顿引力常数, 是光速。 的量纲为长度平方的倒数,其国际单位制单位为 。将其对应项移到方程右侧,可得到等效的真空能量-动量张量:
因此,这个几何常数对应于能量密度 ,或等效的质量密度 。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
真空能与负压强
洛伦兹不变的真空具有与度量张量成正比的能量-动量张量。在理想流体描述中,其压强满足
因此,其状态方程参数为 。与物质或辐射的密度不同,真空能密度在空间膨胀时保持不变。在连续性关系 中,负压强解释了膨胀体积内真空能的增加。这并不意味着有普通物质流入该体积。(ned.ipac.caltech.edu)
在量子场论中,零点能和场的势能都可以对真空能产生贡献。一旦考虑引力,改变势能中的常数部分就会改变其引力效应,而不再只是重新定义一个无关紧要的能量零点。(ned.ipac.caltech.edu)
对宇宙膨胀的影响
对于均匀、各向同性的宇宙,弗里德曼方程包括
其中, 是尺度因子,, 描述空间曲率,而 和 不包含已单独列出的宇宙学常数贡献。正的 对加速度产生正贡献;当这一贡献超过物质和辐射项造成的减速效应时,宇宙便会加速膨胀。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
物质密度近似按 减小,辐射能量密度按 减小,而真空能密度保持不变。因此,一个很小的正 在宇宙早期可以忽略不计,在晚期却可能变得重要。如果膨胀持续下去,且 占据主导地位,宇宙将趋近于德西特时空,此时
相比之下,在常规的、充满物质的宇宙模型中,负的 会促使宇宙重新坍缩。因此,仅凭空间曲率无法确定宇宙的命运。(ned.ipac.caltech.edu)
历史发展
阿尔伯特·爱因斯坦于1917年引入宇宙学常数,以使充满物质的静态宇宙成为可能。由此得到的爱因斯坦静态模型利用正的 平衡物质的引力吸引,但这种平衡在均匀扰动下并不稳定。宇宙膨胀的证据使引入该常数的最初动机不复存在,但这并不意味着该项在数学上不再成立。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
1998年,两个独立团队通过研究遥远的Ia型超新星,报告了宇宙加速膨胀的证据。他们的观测重新激发了人们对正 的兴趣。索尔·珀尔穆特、布赖恩·施密特和亚当·里斯因这一发现获得了2011年诺贝尔物理学奖。然而,加速膨胀本身并不能唯一确定宇宙学常数的存在。(nobelprize.org)
观测测定
宇宙学分析通过膨胀历史、距离和结构增长来约束 。重要的测量包括超新星亮度与红移的关系、宇宙微波背景的各向异性,以及重子声学振荡。这些探测手段约束的是参数的组合,而不是在实验室中直接测量真空能。(nobelprize.org)
当前的真空能密度占临界密度的比例为
其中, 是哈勃常数。在空间平直的 CDM 模型下,普朗克2018年的温度、偏振和引力透镜分析推得 约为 ,。这些结果意味着 。这一推断依赖于所假设的宇宙学模型。与 不同,密度比例 会随 的演化而变化。(arxiv.org)
检验中也允许暗能量随时间变化。2025年暗能量光谱巡天(DESI)第二次数据发布的分析发现,空间平直的 CDM 模型能够很好地描述其声学距离测量结果;而将这些测量与微波背景及超新星数据结合后,则更倾向于某个特定的演化暗能量模型,其显著性为 至 个标准差,具体取决于所采用的超新星样本。这类依赖模型和数据集的结果,并不能确凿证明 不存在。(arxiv.org)
宇宙学常数问题
宇宙学常数问题关注的是:为什么观测到的有效真空能,相比粒子物理学预期的典型贡献如此之小。采用普朗克尺度紫外截断所作的简单估算,比观测值高出约120个数量级。这个数字并不是精确且唯一的预言,而是取决于对截断和基础理论的假设。(ned.ipac.caltech.edu)
困难并不只是消除计算中的发散。观测值综合了引力方程中的常数项、量子贡献和场势能的贡献;在这些贡献都很大的情况下,最终结果为何仍然极小,需要得到解释。与之相关的“巧合问题”则追问:尽管物质密度与暗能量密度的演化方式不同,为什么它们在当前宇宙时期恰好处于相近水平?提出的解释包括新的对称性、调节机制、动力学场和选择效应,但这些方案都尚未构成对测量值公认的微观理论推导。(doi.org)
参考来源
- The Cosmological Constantpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- The cosmological constant and dark energydoi.org
- The Cosmological Constant — Why a Cosmological Constant Seems Inevitablened.ipac.caltech.edu
- The Cosmological Constant — Expansion Dynamicsned.ipac.caltech.edu
- The Nobel Prize in Physics 2011nobelprize.org
- The Nobel Prize in Physics 2011 — Popular informationnobelprize.org
- The Nobel Prize in Physics 2011 — Information for the publicnobelprize.org
- The accelerating Universenobelprize.org
- Planck 2018 results. VI. Cosmological parametersarxiv.org
- Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters — Full textarxiv.org
- DESI DR2 Results II: Measurements of Baryon Acoustic Oscillations and Cosmological Constraintsarxiv.org