宇宙学常数

1. 初步概念：一个“多余”的项
   在爱因斯坦于1915年提出广义相对论后，他于1917年尝试将这套描述时空与物质能量关系的理论应用于整个宇宙。他发现，在他的场方程中，如果不加任何修改，描述的是一个动态的、要么膨胀要么收缩的宇宙。这与当时天文学界的普遍认知（一个静态、永恒的宇宙）相矛盾。为了得到一个静态的解，爱因斯坦在他的方程中引入了一个额外的项，用希腊字母Λ（Lambda）表示，这就是“宇宙学常数”。从物理单位上看，Λ具有“长度^(-2)”的量纲，在方程中扮演着一种“内禀”的时空属性，或者说一种均匀充满空间的、恒定的能量密度。

2. 历史波折：从“最大失误”到重新审视
   1929年，哈勃通过观测发现宇宙实际上正在膨胀。这意味着爱因斯坦最初引入宇宙学常数以维持静态宇宙的动机不复存在。爱因斯坦本人后来称引入Λ是他一生中“最大的失误”，并一度将其从方程中舍弃。在接下来的几十年里，标准的大爆炸宇宙学模型（如弗里德曼模型）通常在Λ=0的假设下发展，将宇宙的动力学完全交给物质（普通物质和暗物质）的密度和初始膨胀速度来决定。

3. 现代回归：驱动加速膨胀的“暗能量”候选者
   20世纪90年代末，对遥远超新星的观测带来了革命性发现：宇宙的膨胀正在加速，而不是像之前预想的那样在引力作用下减速。这意味着存在一种具有“排斥”引力效应（负压强）的成分在主导当前的宇宙。宇宙学常数Λ是解释这种加速膨胀最简洁、最自然的候选者。在广义相对论框架下，一个正的Λ等价于一种均匀、不随时间演化、且具有强大负压强的能量形式，它恰好能产生观测到的加速膨胀效应。此时，Λ不再是一个“多余项”，而是描述宇宙主要成分（约占宇宙总能量密度的70%）的关键参数。

4. 物理内涵与深刻疑难
   当我们将Λ解释为真空能量时，便遇到了宇宙学中最深刻的疑难之一。根据量子场论，即使是在真空中，也存在着无处不在的量子涨落，这些涨落会贡献一个巨大的真空能量密度。然而，粒子物理理论估算的这个真空能量密度，比宇宙学观测所确定的Λ对应的能量密度大出10^120倍（这是一个难以想象的巨大差异）。这个巨大的数量级差异被称为“宇宙学常数问题”，是当代基础物理学中一个最重大的未解之谜。此外，观测数据目前与Λ是严格不变的常数（即不随时间变化）的假设相符，但也有许多理论试图探索Λ是否是一个缓慢演化的动态场（即精质等模型），这需要更精密的观测来检验。

5. 观测证据与宇宙学模型中的地位
   宇宙学常数Λ作为“冷暗物质+宇宙学常数”模型（即ΛCDM模型）的核心组成部分，目前与几乎所有主流的宇宙学观测高度吻合。这些观测包括：宇宙微波背景辐射的精细结构、宇宙的大尺度结构分布、重子声波振荡的特征尺度、以及超新星测距。在ΛCDM模型中，Λ的值被精确测量，它决定了宇宙当前的膨胀速率和最终的命运——在一个Λ主导的宇宙中，膨胀将永远持续下去，且速度逐渐趋于一个恒定值。