另一朵乌云，恐怕是目前最大的乌云，是暗能量的存在。

暗能量在理论上可以存在，理论的历史要比暗物质长得多。暗物质存在的可能可以追朔到兹威基（Fritz Zwicky），他在1933年就指出星系团中可能存在暗物质，因为他发现维持星系团转动的可见天体远远不足，应该有高达数百倍的不可见的物质，这个估计 当然是错的。至于暗能量，目前最简单的最可能的候选者其实是爱因斯坦提出来的。早在1917年，当他提出第一个现代宇宙学模型的时候，就引进了暗能量。当 时他觉得宇宙应该是静态的，所以必须存在一种斥力来抵消物体间普遍存在的引力，这个斥力在他的广义相对论中很容易引进来。由于斥力的产生需要在他的引力场 方程中引入一个常数项，所以他将这个项叫做宇宙学常数项，而该常数就叫宇宙学常数。

哈勃后来发表了哈勃定律，说明宇宙是膨胀的。如果宇宙一直在膨胀，并且膨胀的速度越来越慢，引力本身就可以解释这个现象了，爱因斯坦的理论也足够了。于是爱因斯坦放弃了宇宙学常数，后来的大爆炸宇宙论完全建立在没有宇宙学常数的爱因斯坦理论上。

暗能量有一段曲折有趣的历史，我们现在略过这段历史，直接跳到1998年，暗能量存在的第一个证据在那一年被找到。在那一年，瑞斯（Adam Riess）和帕穆特（Saul Perlmutter）分别领导的两个小组发表了发现宇宙在加速膨胀的结果。他们的方法很类似当年哈伯发现宇宙膨胀的方法，就是利用遥远的发光物体同时测 量它们的位置和离开我们的速度，这些发光体是能量极大的超新星。宇宙要加速膨胀，必须有一个产生斥力的源存在，这个源被发现很均匀，最简单的可能就是爱因 斯坦的宇宙学常数。

（因同时发现宇宙加速膨胀，瑞斯和帕穆特获得2006年度天文学邵逸夫奖（Shaw Prize），2007年又和他们的小组分享了Gruber宇宙学奖。前者一百万美元，后者50万美元）

用现在的观点看，宇宙学常数就是真空中的能量。我们通常不太在乎真空能量，因为它存在的唯一效应就是产生斥力。如果真空能量的密度很低，在绝大多数 情况下，对我们的日常生活、物理实验甚至天文观测不起任何作用。现在，既然我们可以看到距离我们以亿光年计的天体，我们就不能忽略真空能了。

为什么真空能在大多数的情况下可以忽略呢？这就需要了解一下目前描述基本粒子的理论，量子场论。量子场论告诉我们，每一个自由度都有零点能，也就是 说，每一个自由度的最低能量状态的能量不为零。这些零点能的存在并不影响自由度之间的相互作用。比如，如果我们需要研究两个粒子之间的碰撞截面，零点能存 在与否对计算不起任何作用。换句话说，零点能是一个通常的数字，与所有物理算子对易，互不影响。历史上，零点能的存在也引起过理论家们的困惑。首先，零点 能不仅是无限大的，而且零点能的密度也是无限大的。与这个事实相关的是，粒子之间的相互作用也会变成无限大。理论家们很快学会了如何处置这些无限大。因为 零点能本身不影响物理过程，我们简单地将零点能扔掉，这种方法叫正规化。相应地，我们也系统地扔掉不可观测到的无限大，这个方法叫重正化。

粒子物理学家在很长的一段时间内不和引力打交道。这既是一种权宜之计，也是最好的解决问题的策略，在很多情况下，你必须集中精力解决目前的问题，假 定那些难以解决而往往最深刻的问题自有深刻的原因暂时不影响我们解决其他问题。这种方法非常行之有效，直到最近暗能量的发现，我们不得不面对最深刻的问题 了。

在解释暗能量或真空能为什么是最大的一朵乌云之间，让我回到从前，不厌其烦地回顾一下量子引力的历史。第一位认真地尝试将量子力学和引力结合在一起 的人是德维特（Bryce DeWitt），在一篇1967年的文章中，他用传统的量子场论方法研究量子引力，并没有取得本质的进展。对引力一直不怎么在意费恩曼也尝试量子化引力 （1962年），同样没有结果，但他发明的一个方法后来影响了规范场的量子化-就是鬼场，费恩曼的另一个结果是，在处理自旋为2的粒子时，唯一可能的相互 作用就是爱因斯坦理论。在解决了规范场的量子化之后，特霍夫特和他的老师威尔特曼（Martin Veltman）证明了引力和物质在一起的系统是不可重正的，用今天的术语，就是说，不存在一个只有有限个参数的有效引力场论。

在弦论介入量子引力之前，研究量子引力的主流是所谓正则量子化，就是将时间和空间强行分开，这样做是不得已的。在这个主流之外，还有离散化方法，就 是雷吉的三角剖分。再后来，有了超引力。之前，还有卡鲁查-克莱因理论。这两种想法现在完全结合到弦论中来了。而正则量子化发展到今天，主要方案是所谓的 圈量子引力。当然，圈量子引力还没有发展到可以计算具体的物理过程的程度，这样，正则量子化的另一条线，即所谓的惠勒-德威特方程，被哈特尔（James Hartle）和霍金发展成哈特尔-霍金波函数，反而可能成为处理宇宙学的可行的方法，最近几年，哈特尔-霍金波函数被用来研究早期宇宙学的问题，前景似 乎不错。

简短地交代了量子引力的历史之后，我们回到暗能量这个问题上来。我们前面说过，暗能量可以被看成真空的能量。如果没有引力，我们完全可以不理它，因 为它不影响我们理解任何其他物理过程。有了引力，真空能的确可以产生斥力，这样，我们不得不将引力对暗能量的“反馈”计算进来。在最简单的情况下，只有真 空，真空中只有暗能量，那么时空不是平坦的，时空应该取一个特殊的形式，叫做德希特时空。这个新的时空和真空中完全没有暗能量的时空即平坦时空具有一个共 同的特点，就是有极大的对称性。但与平坦时空不同的是，德希特时空是弯曲的，有着一个具有极大对称性的曲率，与平坦时空相比，后者类似平面，而德希特时空 类似球面。所以，德希特时空也有一个半径。当暗能量的密度越大时，这个半径越小。假如，真空中的能量完全来自于一个场的自由度，如一个自旋为整数的玻色 场，真空能的密度就是无限大，对应的德西特半径就是无限小。我们很快看到，这引起一个矛盾，当时空的半径变得无限小时，场的零点能的计算就会变得非常复 杂，我们不再能够肯定零点能到底有多大。

从另一个角度来看，无限大的零点能来自于波长为无限短的量子涨落。我们知道，波长越短，能量越高，引起的引力越大，我们不再能够忽略量子引力效应，所以，要真正理解真空能这个问题，我们首先需要一个可以用来做计算的量子引力理论。

聪明的人可能会想到利用类似我们从前忽略量子引力的鸵鸟政策。既然很大的真空能会引起很大的量子引力效应，我们假定所有真空能加起来就像我们观测到 的那么大（即一立方米中大约有一个质子的能量），比方说，所有量子涨落的零点能加起来要么几乎抵消（玻色子有正的零点能，费米子有负的零点能），这样就不 用担心引起强大的引力涨落效应了。如果量子涨落的零点能不能几乎抵消，我们可以引进一个“裸”零点能来抵消它们，这样我们可以达到同样的目的。这个鸵鸟方 案看起来真的不错，的确，最近用来发现所谓的弦景观-即有很多亚稳态真空-的办法就是这样的。但作为理论家，我们不得不承认这是鸵鸟政策，原因是，尽管真 空能几乎抵消了，但我们不知道它们是怎么抵消的，因为每个量子引起的量子引力反弹的确不小。加之，我们知道，既然每个量子的真空能很大，为什么它们能够抵 消得几乎干干净净，但是还留下一点点，让宇宙得以成为今天方圆大约是一百多亿光年的宇宙？

暗物质虽然不能用标准粒子理论来解释，我们知道原则上可以用我们熟悉的物理理论来解释，暗能量的解释需要全新的理论，一个我们已经追求了半个世纪的 理论-量子引力。也许我们会在今后的几十年中理解了暗能量的起源和一个真正的量子引力理论，也许我们需要更长的时间达到这个目标。考虑到我们已经花费了的 时间和人力，那一天到来的时候，我们可以说一句一将功成万骨枯。

到此为止我们已经了解了从上世纪发端的而在世纪末变得越来越明显的两朵乌云。这两朵乌云在宇宙学家的眼中和在物理学家的眼中的严重情形也许不一样。 对于宇宙学家来说，只要暗物质存在就可以，因为他们需要它来解释星系和星系团的引力结构以及这些大尺度结构是如何从宇宙早期到近期逐步形成的。同样，他们 也希望了解暗能量的一些性质以决定宇宙过去的演化和未来的发展。对于物理学家来说情况完全不一样，暗物质的存在告诉我们所谓标准粒子模型远远没有能够达到 标准，因为我们不知道暗物质是什么粒子，在热大爆炸的开端是如何产生的，是意味着标准模型远远不完备还是我们只需要小修小改。至于暗能量，则涉及到理论物 理中迄今为止最大的理论问题，量子引力理论，以及量子引力和标准粒子模型的关系。

最后，我们谈了半天现代的两朵乌云，现在可以将这两朵乌云和19世纪末的两朵乌云做一个比较了。19世纪末，开尔文指出的两朵乌云分别与两个实验有 关，一个是黑体辐射实验，另一个是迈克耳孙－莫雷实验。众所周知，黑体辐射实验导致了普朗克发现黑体辐射谱和量子，而迈克耳孙－莫雷实验导致狭义相对论的 发现。量子论和相对论恰恰是20世纪两个最大的物理发现和进展。

我们分别分析一下这两个实验的性质以及如何引发两个重大理论发现的。黑体辐射实验导致瑞利和金斯公式，这个公式如果延伸到紫外波段，不仅和实验矛 盾，也会引起总能量发散，所谓紫外灾难。普朗克大胆地引入能量量子假说，从而避免了紫外灾难，也预言了黑体辐射也紫外波段的性质。这个发现不仅仅解决了黑 体辐射问题，更加引发了后来的爱因斯坦的光量子概念和玻尔的量子化概念，从而导致全新的不同于牛顿力学的新力学。

迈克耳孙－莫雷实验的实验与黑体辐射实验不同，黑体辐射是发现了一个概念的存在，而迈克耳孙－莫雷实验是否定了一个概念，以太。迈克耳孙－莫雷实验 说明麦克斯韦的理论在不同的惯性参照系中都是成立的，没有一个由以太决定的绝对惯性参照系。爱因斯坦发现狭义相对论的原因据说与迈克耳孙－莫雷实验没有直 接关系，他只是想将洛仑兹的理论从动力学变成运动学，从而彻底改变了我们的时空观念，否定以太的存在则是狭义相对论的结论之一。

所以，19世纪末的两朵乌云和一个发现了什么和一个没有发现什么的实验有关，这一点不同于20世纪末的两朵乌云，无论是暗物质和暗能量，我们都是发 现了什么。本质上，我觉得暗能量的发现接近于黑体辐射，同样是紫外灾难，虽然具体的对象不同。我个人觉得暗能量的存在极有可能导致物理概念上的深刻革命。 与此相反，暗物质的发现既不同于黑体辐射，也不同于迈克耳孙－莫雷实验，因为现有的理论框架完全可以容纳暗物质。

虽然今天看来，弦论面临着这两朵乌云的挑战，历史上弦论的发现完全与宇宙学无关，甚至与量子引力无关，这是弦论历史最引人入胜的一点。

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本篇未结束，明天继续，请转载的同学耐心等一天。Adam Riess看起来很像《欲望都市》中的卡洛斯。

附，邵逸夫奖章

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