暗能量理论的双重“广义测不准原理”
  牛顿把“数学的辩证法”——微积分引入了数学，却没有把微积分思想引入宇宙学，在牛顿的时空观中，空间就像一个固定不变的“方盒”，一个个由“方盒”、或空格组成的空间具有绝对的静止性，充斥在空间格的物体只能发生彼此的作用，物体与空间格不能发生相互影响，作为独立一维的时间同样不与空间产生相互作用，牛顿是物理哲学史上绝对时空观的代表。改变牛顿绝对、机械时空观的科学家是爱因斯坦，他是相对时空观的开拓者，通过相对论将时间与空间联系成一个整体，爱因斯坦在物理学史上第一次发现了物体与时空的相互作用。现在有一种标准的解释，即：广义相对论是以引力为研究对象的理论，本作者可以给出一种更体现本质特征的解释，即：广义相对论是以时空和物体相互作用为研究对象的理论。根据广义相对论的描述，引力在物体与时空的相互作用中产生，离开物体和时空、离开物体和时空的相互作用，引力不可能产生，因此，本作者将物体、时空、物体与时空的相互作用看成是“引力的三要素”。牛顿的引力理论只有物体和空间两个要素，空间要素与引力的形成无关，引力是物体与物体的“超距作用”，而在爱因斯坦“三要素”的引力理论中，时空“方盒”、或“格”由时空的纤维编织而成，通过物质、能量和时空的相互作用可以发生时空的拉伸和弯曲，其中，物质引起的时空弯曲导致了引力，而暗能量引起的时空拉伸导致了宇宙膨胀。

  引力和暗能量是宇宙的两种最强大力量，17世纪的牛顿发现了万有引力，提出了万有引力定律，20世纪的爱因斯坦发现万有引力定律描述的不足，提出了广义相对论，一些物理学家不同意广义相对论对引力的解释，提出了修正引力理论，试图解释宇宙中“迷失的暗物质”。除了广义相对论和修正引力理论，20世纪另一个最伟大的发现是宇宙的膨胀，解释宇宙膨胀的现象导致了暗能量理论。天文学和宇宙学家发现，几乎所有的星系都在远离我们，星系离开我们的距离越是遥远，它们的退行速度越是加快。物理学家认为星系退行只是一种表象，时空纤维的膨胀才是宇宙膨胀的实质，或者星系的退行和时空的膨胀符合“等效原理”。由于“暗能量”拉伸了星系之间的空间，所以遥远的星系看起来就像在远离我们的方向上“快马加鞭”地奔跑。爱因斯坦的“宇宙学常数项”隐含了宇宙膨胀的概念，他之所以引入这一常数是为了避免宇宙时空中的物体发生塌缩，如果不引进阻止宇宙塌缩的“常数项”，那么所有的物质将在引力的作用下塌缩成一个“超级黑洞”，回到宇宙诞生的起点。“常数项”的本质指向了物理学家后来定义的“暗能量”，它是一种充斥在整个太空的额外能量，或“本底能量”，爱因斯坦用额外添加的常数项保持了宇宙恒久的稳定态。

  物理学家亚历山大·弗里德曼不满意一个恒稳态的宇宙结构，提出了一个放弃宇宙学常数项的解决方案，宇宙在所有物质和能量的作用下有两种演变的可能，一种是形成一个收缩的宇宙，回到起点，另一种是形成一个膨胀的宇宙，走向宇宙的终点。收缩和膨胀取决于宇宙平均的物质和能量密度。弗里德曼从数学物理上预言了宇宙的膨胀、或收缩，他的预言在上个世纪的20年代得到天文观测的证实，埃德温·哈勃第一次发现了星系的退行，他通过“标准烛光”的单个恒星来测量星系的距离，既发现了银河系以外的星系，也发现了星系在远离我们方向上的退行。哈勃证实了我们现在的宇宙正处在膨胀的状态，直到1998年，天文学家通过更为精确的距离测量，发现了宇宙的加速膨胀，解释宇宙膨胀和加速膨胀的“暗能量理论”由此成为“宇宙解释学”的一种主要理论。解释物质引力的有广义相对论，而解释宇宙膨胀的则有暗能量理论。由于存在物质分布的不均匀性，在宇宙中形成了物质密度相对高和物质密度相对低的区域，行星、恒星、星系群和星系团分布在物质密度高的区域，而在宇宙的巨大空洞中，没有物质“成群结队”的聚集，空洞内的物质极为“稀薄”，接近绝对的真空态。为了研究宇宙的膨胀，我们既可以测量星系的退行，也可以测量“空洞”大的变化，两种“宇宙测量学”之间符合“等效原理”，测量宇宙空洞大的变化有助于我们理解“暗能量”的属性。

  根据宇宙哲学的“等效原理”，物理学家既可以用“暗能量理论”来解释宇宙的膨胀和加速膨胀，也可以用“修正引力理论”来解释，甚至还可以在两种理论之外引入第三种理论。无论哪一种解释宇宙膨胀的理论都还达不到牛顿和爱因斯坦对引力现象的解释那般完美和成熟。由于我们对暗能量的理解相当肤浅，而暗能量在最大的宇宙尺度上、甚至在整个宇宙的尺度上决定了宇宙的命运，因此，我们在预测宇宙的命运时遇到了“前所未有”的挑战，如果宇宙按照目前的膨胀率演变下去，那么我们大致上可以设想，暗能量在和宇宙引力的“竞赛”中将能获胜，宇宙时空将被“暗能量”持续地拉伸和拖拽，处于“时空格”中的天体将会分离得越来越远，彼此退行的速度越来越快，以地球为“原点”，总能找到遥远时空的一个球面界限，超过了这一界限，宇宙膨胀的速度、或者天体彼此分离的速度将超过光速，如果我们从地球上发射一个光速的信号，这个信号没有追赶超光速运动天体的可能，我们在“孤帆远影”的地球如何建立和这些遥远星系的信号联系？这是未来物理学的问题，现在的物理学家能够想到的解决方案有“虫洞理论”、“量纠缠”、“太空凝聚体物理”，但是，每一种方案都是一种理论设想，人类甚至没有完成从地球到月球的量通讯实验，哈勃太空望远镜观测到宇宙的极深场，未来的詹姆斯·韦伯太空望远镜在接替哈勃之后，也许能观测到更遥远的太空，但是，我们真的很难预测和计算最遥远的星系将以怎样的速度远离我们。

  我们不应该期待出现一位伟大的物理学家，能够“独自一人”地建立一套“暗能量场方程”，就像爱因斯坦建立“引力场方程”一样，实际上，爱因斯坦在建立广义相对论的过程中得到了数学家的帮助。为了揭示暗能量“背后的力量”，需要物理学家和数学家团队的协作。暗能量其中之一的神秘性是它的密度的不变性，在宇宙膨胀、或者在宇宙收缩的过程中，暗能量的密度保持不变，这一特点与物质和能量的密度变化尤其不同，宇宙学家普遍认为，在宇宙膨胀的过程中，随着时空纤维在“广阔天地”的延伸、铺展，物质和能量的密度呈现不断下降的趋势，我们可以将宇宙中的物质和能量越来越稀薄的现象归纳为“物质密度递减规律”、或者“能量密度递减规律”，就像本作者在宇宙哲学中提出了“量效应递减规律”一样，但是，暗能量不服从“能量密度递减规律”，不存在“能量密度递减规律”、“物质密度递减规律”和“暗能量密度递减规律”的等效性，不存在它们之间的“等效原理”。随着宇宙的膨胀，似乎存在永恒的“暗能量递增规律”，虽然暗能量的密度保持不变，但是，暗能量的总量不断增大，如何解释“物质和能量的递减规律”和“暗能量的递增规律”？当我们试图解释宇宙暗能量的递增现象时，将会遇到双重“广义测不准原理”的约束。

  本作者将暗能量密度的不变性，将“暗能量递增规律”看成是宇宙学中最神秘、最复杂的问题之一。“物质和能量密度的递减规律”容易理解，因为，宇宙的物质和能量的总量保持不变，当宇宙的体积持续不断地增大时，物质和能量的密度呈现递减的趋势，我们在“头顶”上看到的“亮晶晶”的星星将越来越少，也许在数十亿、数百亿年之后，甚至看不到一颗“头顶”的星星，先是本星系团变成宇宙的“孤岛”，后是本星系群、银河系，最后是太阳系和我们的地球变成宇宙的一个“孤岛”。但是，“孤岛效应”（如果天体物理学家接受这种法的话）是由暗能量造成的，或者是由“暗能量总量递增规律”促成的，现在还不能明“加速递增”的暗能量的来源，我们最想了解的答案也是宇宙学中最深奥的问题，当我们离开这个“眷念不舍”的世界时，可能获得对这一问题的更多认识，但是，不会获知彻底的答案。对于科学家而言，更多地认识自然的奥秘是人生的目的之一，科学家比我们更了解“人生是一门缺憾艺术”的含义，只有不断的探索和发现，才能更好地体验人生的价值。从微观物理学的角度来看，“暗能量”可能来源于“真空能量”、或“本底能量”，但是，进一步的解释变得十分困难，从宏观物理学的角度来看，“暗能量理论”达不到广义相对论对引力解释的程度，也许暗能量的“增量”来源于暗物质，但是，暗物质和暗能量的“转换原理”远在我们的理解之外，只能推测暗物质和暗能量的“质能转换”与物质和能量的符合“等效原理”。没有任何证据表明，在我们的宇宙中正在发生暗物质总量的递减现象，但是，暗能量总量的递增能够从宇宙的膨胀中自然地推导出来。

  （邓如山2017-3-邮箱：deepmind_123@163.）

  (Double“generaluaintyprinciple”applytothefieldofDarkeheory)

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