真的需要修改广义相对论的引力理论来解释暗能量吗？

暗能量是所有科学领域中尚未解决的最大难题之一。宇宙不仅在膨胀，而且我们推断遥远星系的膨胀率正在加速：随着时间的推移，从我们的观察角度它们的退去速度在加快。这是一个惊喜，当它在20世纪90年代被经验性地发现时，20多年过去了，我们仍然不知道这种神秘和宇宙中最丰富的能量形式从何而来。

• 图注：在破译暗能量本质的宇宙谜题时，我们将更好地了解宇宙的命运。

虽然你可以在广义相对论的背景下解释暗能量，但最近尝试通过改变引力来解释暗能量已经成为一种时尚。最近，获奖的克劳迪娅·德拉姆博士的理论工作成为焦点，导致《卫报》发问：“物理学家的引力理论是否解决了‘不可能’的暗能量之谜？” 这是一个令人着迷的可能性，但需要有适当程度的怀疑。

• 图注：对爱因斯坦广义相对论进行了无数次的科学检验，使其受到了人类有史以来最严格的限制。爱因斯坦的第一个解决方案是在一个质量附近的弱场极限，比如太阳；他将这些结果应用到我们的太阳系中，取得了巨大的成功。我们可以将这条轨道视为地球（或任何行星）围绕太阳自由下落，在其自身的参照系中以直线路径运行。所有的质量和所有的能量来源都有助于时空的曲率，但是我们只能近似地计算地球太阳轨道，而不是精确地计算。

你可以把宇宙想象成两个竞争者之间的竞赛：最初的宇宙膨胀，导致遥远的物体彼此远离；引力，将所有的东西拉回到一起，试图重新回忆宇宙。大爆炸是发令枪，当远处的物体开始彼此后退时，地心引力总是会使它们减速。

你可以想象的三种可能性：

1. 要么膨胀太快，引力无法克服，宇宙中所有的引力都无法阻止或逆转膨胀，
2. 或者是因为引力太大，最初的膨胀速度跟不上，膨胀会减速、停止、逆转，导致一场大危机，
3. 或者膨胀率和引力完全平衡，我们的宇宙正好，膨胀率渐近于零，但永远不会逆转。

不幸的是，对我们的直觉来说，宇宙并没有这样做。

• 图注：宇宙的四种可能的命运，只有物质、辐射、曲率和宇宙常数是允许的。前三种可能性是宇宙的命运取决于物质/辐射与空间曲率的平衡；后一种可能性包括暗能量。只有最底层的“命运”与证据一致

当然，在最初的70或80亿年里，它看起来正朝着完美平衡的方向发展，但随后出现了一种新的现象：暗能量。虽然科学家没有足够的证据得出结论，至于造成暗能量存在并支配我们的宇宙的原因，我们可以描述它所做的以及它如何影响我们的宇宙。

如果将望远镜对准一个遥远的星系，测量它的光，从它诞生的那一刻到今天，你会发现你观察到的光总是与发出的光相比发生红移。当光在不断膨胀的宇宙中传播时，空间本身的结构就会拉伸，从而拉伸光的波长。当它到达我们的眼睛时，它的波长更长，这意味着它的颜色比发射时更红，能量更低。最初发出这种光的遥远星系本身也会随着时间的推移越来越远。

• 图注：此简化动画显示光红移如何以及未束缚对象之间的距离，在膨胀的宇宙中随时间而变化。请注意，物体的起始距离比光在它们之间移动所需的时间要近，由于空间膨胀而导致的光红移，并且两个星系的间隔远于它们之间交换的光子所走的光旅行路径。

如果没有暗能量，任何一个星系都会以一个特定的红移开始——它的光会被拉伸一定的量——红移会随着时间而减少。随着引力减缓了膨胀速率，遥远的星系将以逐渐减慢的速度退去，随着宇宙的继续发展，它们的光将越来越少地红移。

然而，在我们的宇宙中，我们看到了另外一些事情：单个星系在宇宙历史的前78亿年似乎放慢速度，然后它们的退去速度似乎加速了。随着时间的推移，遥远的星系单独地以越来越快的速度从我们身边消失。在我们所能观测到的宇宙中的2兆个星系中，即使我们今天以光速朝向它们奔去，有94%个星系是我们永远无法企及的。

当然，最大的问题是为什么。为什么我们的宇宙有暗能量？为什么暗能量具有它所具有的非零值？为什么它有它所具有的特殊性质？

自从上世纪90年代首次揭示并发现暗能量以来，从宇宙的大尺度结构，从宇宙对其内部恒星的年龄要求，从遥远超新星的微弱，从宇宙的平坦度和测量的物质密度的结合，科学家们已经知道与我们所说的宇宙学常数惊人地一致：我们可以在爱因斯坦的广义相对论中，加入一些不违背理论本身核心预言的东西。

宇宙学常数的概念很简单：空间结构本身具有非零的固有能量。

• 图注：显示量子真空中虚拟粒子的量子场论计算可视化。（特别是，对于强相互作用）即使在空白空间，这种真空能量也是非零的，从空间曲率不同的观察者的角度来看，弯曲空间中一个区域的“基态”看起来也不同。只要量子场存在，真空能（或宇宙常数）也必须存在。

这是解释暗能量最简单、最保守的方法：这仅仅是由于空间本身的性质。如果暗能量真的被空间的零点能量所描述，并且与宇宙常数不可区分，那么它应该：

• 能量密度永远不会随时间变化，
• 使所有波长的光都红移相同的量，
• 使加速膨胀的影响服从一个特定的关系，只要随着时间的变化，
• 同时仍然要求引力在任何时候都是相同的，对于所有的观察者，在所有的参考系中，引力的速度完全等于光速。

无论我们在哪里测试，最后一点的每一个组成部分都被观测到非常精确，这就是为什么引力的改变已经受到如此严格的预先约束的原因。

• 图注：伽马射线爆发的例子，长期以来被认为是中子星合并的结果。它们周围富含气体的环境可以延迟信号的到达，解释了观测到的引力和电磁信号到达之间1.7秒的差异。这是我们观察到的最好的证据，引力的速度必须等于光的速度。

尽管如此，最近修改引力已经成为一种时尚，许多理论家修改了打破广义相对论规则的想法。最常见的修改类型要么是添加一个额外的字段（标量、向量或两者），要么是添加一组额外的术语（像一个新的耦合），要么就是它们打破了引力在任何时候对每个人都是相同的定律的概念。所有这些都已经受到了高度的限制，因为广义相对论已经出色通过了我们所经历过的每一次验证。

然而，这些想法中的一些已经过时了。最后一个选择就是打破洛伦兹不变性，这意味着抛弃了建立相对论的基本原理。最近，一项新的研究得到了广泛的关注，试图通过假设引力子（携带光子的引力类似物），这种引力子并非完全没有质量，而是具有其固有的微小、非零质量

• 图注：所有无质量粒子都以光速运动，包括光子、胶子和引力波，它们分别携带电磁、强核和引力相互作用。如果重力子，即负责重力的携带力的粒子，有一个非零质量，它们将比光传播得慢，并且产生一个与广义相对论预测的力定律略有不同的力定律。

如果是真的，这将对物理学产生巨大的影响。首先，它意味着引力并不是真正的远程力；在足够远的距离上，它应该以比电磁力（基于无质量光子）更快的方式变得更弱。第二，这意味着改变你的坐标，无论是以恒定的速度移动还是变速移动到不同的位置，都会改变你对引力定律的感知。

但第三，这意味着引力的速度小于光速，这很难调和。事实上，这三者都有观测和实验上的局限性，告诉我们，如果引力不是真正的长程引力，不是坐标引力，也不是推进不变量引力，或者它的速度不完全等于光速，那么它必须非常非常接近光速。

但是，从理论上讲，引力子的第四个结果是最令人不安的：它的质量随时间而变化，与膨胀率本身成比例。

• 图注：上图中右边有第一个弗里德曼方程。第一个弗里德曼方程左边详细描述了哈勃膨胀率的平方，这支配着时空的演化，右边包括所有不同形式的物质和能量，以及空间曲率（在最后一个术语中），它决定了宇宙在未来如何演化。这被称为宇宙学中最重要的方程，由弗里德曼在1922年以其现代形式导出。

这是理论物理学家在沙盘里玩的模拟。在某种程度上，我们知道广义相对论并不是所有问题的全部答案，因为有些问题它是无法回答的。因此，有人认为，探索“打破”广义相对论的不同方法，找出其结果，寻找偏差是合理的。在某种程度上，科学家已经这样做了100年。

但这种偏差从未出现过。对于包含标量或向量的广义相对论的替代方案，有很强的限制。引力的速度必须等于光速，如引力速度超过光速，只有通过扭曲物理理论来实现。而且，也许最令人沮丧的是，这些解释暗能量的尝试完全掩盖了一个大问题——如何计算空间自身的零点能量——而根本没有解决它。

• 图注：量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学相结合。经典引力的量子校正被形象化为循环图，如此处以白色显示的。空间（或时间）本身是离散的还是连续的尚未确定，引力是否量化的问题，是否有引力子（质量的还是无质量的）的问题也是如此。或者我们今天所知道的粒子是否是基本的。但是如果我们希望有一个关于一切的基本理论，它必须包括量子化场，而广义相对论本身并没有这样做。

暗能量的存在是绝对正确的，支持它存在的证据是压倒一切的，而科学家可以做一个很好的描述暗能量的工作，我们不知道是什么引起它或者它来自哪里。可能是我们现在的引力理论，广义相对论，不太正确，它不正确的具体方式，最终将对暗能量负责。这就是大多数研究修正引力的理论家所指望的。

但这只不过是在沙盘里玩而已。可观测和可测量的试验继续与广义相对论在其未经修改的形式上一致，解释宇宙常数的值在所有版本的引力中仍然是一个无法解释的谜，无论是修改的还是未经修改的。如果你想要解释暗能量，宇宙学常数可以完美地完成这项工作。如果你愿意，你可以做不同的工作，但是要诚实地告诉自己你在做什么：增加一个额外的，不必要的复杂因素来解释一些已经足够复杂的事情。