當(dāng)愛因斯坦的廣義相對論問世時，他發(fā)現(xiàn)了一個令人不安的問題：宇宙是不穩(wěn)定的。如果宇宙開始于一個靜止的時空，它就會自身坍縮。為了解決這個問題，愛因斯坦發(fā)明了一個宇宙常數(shù)。

我們須理解宇宙常數(shù)的概念是從哪里來的

有一個非常強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具，我們在物理中經(jīng)常使用：微分方程。這個方程會告訴你下一時刻某物的行為，然后一旦那個時刻過去了，你可以把這些新的數(shù)據(jù)放回同一個方程中，它會繼續(xù)告訴你下一時刻會發(fā)生什么。

例如，微分方程會告訴你一個球從山上滾下來時會發(fā)生什么。它告訴你球會走什么路徑，會如何加速，以及它的位置在每時每刻是如何變化的。只要解出描述球滾下山的微分方程，你就能精確地知道它的軌跡。

微分方程幾乎能告訴你所有你想知道的關(guān)于“球從山上滾下來”的信息，但有一件事它不能告訴你：地面的基準(zhǔn)面有多高。你無法知道你是在高原上的山還是在海平面上的山，在這兩種海拔高度上，一座相同的山可以用完全相同的微分方程來描述。

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同樣的問題也出現(xiàn)在微積分中，當(dāng)你解不定積分時，你必須在最后加上常數(shù)C。愛因斯坦的廣義相對論不只是一個微分方程，而是一個由16個微分方程組成的矩陣，其中10個微分方程相互獨(dú)立。但對于每一個微分方程，你都可以用一種特殊的方式加一個常數(shù)，也就是我們所說的宇宙常數(shù)。這是唯一一種不會從根本上改變愛因斯坦理論的東西。

愛因斯坦在他的理論中加入了一個宇宙常數(shù)，不是因為它是被允許的，而是因為對他來說，它是首選。在沒有加入宇宙常數(shù)的情況下，他的方程預(yù)測宇宙要么在膨脹，要么在收縮，而這在當(dāng)時的觀測條件下顯然沒有發(fā)生。

問題是，宇宙常數(shù)不同于我們已知的其他類型的能量。當(dāng)宇宙中有物質(zhì)時，粒子的數(shù)量是固定的。當(dāng)宇宙膨脹時，粒子的數(shù)量保持不變，所以密度隨時間下降。對于輻射來說，當(dāng)輻射穿過膨脹的宇宙時，它的波長相對于某天將接收到它的觀察者來說也拉長了：它的密度下降，每一個單獨(dú)的量子也隨著時間失去能量。

但對于宇宙常數(shù)來說，它是空間固有的一種恒定形式的能量。如果我們回溯到宇宙更年輕、更熱、密度更大、體積更小的時候，宇宙常數(shù)就不會被注意到。它會在早期被物質(zhì)和輻射更大的影響所淹沒。只有當(dāng)宇宙膨脹和冷卻，使物質(zhì)和輻射密度降至足夠低的值時，宇宙常數(shù)才會最終出現(xiàn)。

暗能量是宇宙常數(shù)嗎

當(dāng)我們討論暗能量時，它可能是一個宇宙常數(shù)。當(dāng)然，當(dāng)我們采用迄今為止的所有觀察結(jié)果時，我們發(fā)現(xiàn)暗能量與宇宙常數(shù)是一致的，因為膨脹率隨時間變化的方式，在不確定性內(nèi)，與宇宙常數(shù)的作用是一致的。

但這里存在不確定性，雖然我們對過去60億年左右的暗能量演化有限制，但我們不能肯定地說暗能量是一個常數(shù)。

當(dāng)然，我們想知道它是否為常數(shù)。在各種距離對宇宙進(jìn)行采樣是關(guān)鍵，因為光在穿過膨脹的宇宙時演化的方式使我們能夠確定膨脹率是如何變化的時間。如果它正好等于一個宇宙常數(shù)，那么它就會遵循一條特定的曲線；如果沒有，它將遵循不同的曲線，我們將能夠看到這一點(diǎn)。