前沿:宇宙學及其他

宇宙常數(cosmological constant)

愛因斯坦在 1917 年把它當作一個修正因子引入:他想要一個靜止的宇宙,於是在方程式裡加了一項,用以抵銷重力的拉扯、把宇宙撐住不動。當哈伯證明宇宙在膨脹時,據說愛因斯坦稱它為自己最大的失誤而把它捨棄。但這一項拒絕消亡,如今它是我們對暗能量與加速宇宙的領先描述。它的符號是希臘字母 Lambda。

宇宙常數是出現在愛因斯坦場方程式中的一個常數項 Lambda:G_mu_nu 加 Lambda g_mu_nu =(8 pi G / c^4)T_mu_nu,其中 G_mu_nu 是愛因斯坦張量、g_mu_nu 是度規。把它移到另一邊,它的作用恰如空無空間的一種能量密度,rho_Lambda = Lambda c^2 /(8 pi G),壓力為 p = 減 rho_Lambda c^2,因此它的狀態方程式參數恰為 w = 減 1。與物質不同,這種能量不隨空間膨脹而稀釋;真空的每一立方公尺都帶有相同的能量,於是隨著宇宙變大,Lambda 逐漸主導並驅動指數式膨脹。

宇宙常數是暗能量最簡單的候選,且與數據吻合得極好,構成標準 Lambda-CDM 模型中的那個 Lambda。但它藏著物理學中最深的謎題:量子場論說空無空間應充滿零點能,天真的計算給出的真空能量約比觀測到的 Lambda 大 10^120 倍。真實值為何小得如此荒謬、卻又不恰好為零,正是宇宙常數問題,至今未解,並直指那套缺失的量子重力理論。

在標準的 Lambda-CDM 模型中,宇宙常數貢獻約 68% 的能量預算,冷暗物質約 27%,普通物質約 5%。這一個經數據擬合的數字 Lambda,就同時重現了宇宙微波背景、膨脹史與結構的成長。

Lambda:一個承載了宇宙大部分能量預算的數字。

宇宙常數是暗能量的一個具體模型(w 恰為 減 1 的情形);暗能量則是更廣義的觀測現象。我們能精確測量 Lambda,卻無法從第一原理算出它的值,這是物理學重大的未解問題之一。

又称
Lambdavacuum energy densityEinstein's Lambda宇宙學常數