暗物质、暗能量与宇宙常数问题

（一）宇宙常数问题的提出

Einstein说：“只要数学上暂时还存在难以克服的困难而不能确立这个理论的经验内涵，逻辑的简单性就是衡量这个理论的价值的惟一准则，即使是一个当然还不充分的准则。” 他说：“理论物理学的目的，是要以数量上尽可能少的、逻辑上互不相关的假设为基础，来建立起概念体系，如果有了这种概念体系，就有可能确立整个物理过程总体的因果关系。”他还说：“科学的目的，一方面是尽可能完备地理解全部感觉经验之间的关系，另一方面是通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到这个目的。”

Einstein和 D.希耳伯特几乎同时在1915年得到了完整的引力场方程。方程左边是描述引力场的时空几何量，右边是作为引力场源的物质能量动量张量。显然，这个方程反映了Einstein的马赫原理的思想。 谈到广义相对论时，Einstein说：“这理论主要吸引人的地方在于逻辑上的完备性。从它推出的许多结论中，只要有一个被证明是错误的，它就必须被抛弃；要对它进行修改而不摧毁其整个结构，那似乎是不可能的。” 广义相对论不可能是物理理论的终结，寻求一个包含广义相对论基本特点的更普遍的理论，是一种合乎逻辑和经验的努力。为了描述时空中某点的弯曲， Einstein的广义相对论需要有20个坐标的函数来描写。“在解 Einstein引力场方程中，存在着数学上的困难。 Einstein的引力度规张量gμν所满足的场方程是一组10个二阶非线性偏微分方程。除个别例子外，这种非线性偏微分方程的解在满足初始或边界条件之后的唯一性，在数学上还没有得到证明……因此,在物理学中遇到一些非线性偏微分方程只能用实验来检验接的正确性。”另外,“在 Einstein场方程解中存在着解的不确定性。 Einstein的度规张量gμν共有10个分量，满足上面提到的10个分量场方程。但在这10个偏微分方程中存在着Bianchi恒等式的4个偏微分关系。也就是说，gμν的10个分量只满足6个独立的方程，因此它们的解是不确定的。”

1916年，Einstein在分析宇宙时发现，根据广义相对论，宇宙是不平衡的，它要么是膨胀，要么是收缩。如果仅仅存在万有引力，那么星系之间应吸引而相互靠近，宇宙应是在收缩。为了使宇宙趋于平衡而完美，Einstein给宇宙方程加了一个常数。1917年，Einstein提出，宇宙间存在一种与万有引力相反的力量，使所有星系保持一定距离，这样宇宙才不会因星体间的万有引力而不断收缩。Einstein认为这种与万有引力相反的力量是恒久不变的，称之为“宇宙常数”。Einstein场方程为Rμν— 0.5gμνR+υgμν= —8πGTμν，υ称为宇宙常数，由于增加了υgμν项，该方程在稳态、弱场非相对论近似下，回不到引力方程。因此只有假定υ非常小，在一般space-time范围与Newton引力势相比可以略去，上面的场方程才可能成立。故υgμν项，只有space-time在宇宙级上才有显示。

当代著名的天体物理学家F. Hoyle等人强烈主张稳态的宇宙模型，并作了许多工作。但如不从根本上找到Newton万有引力理论和Einstein广义相对论本身的缺陷，则很难建立令人信服的稳态宇宙模型。【1】自从牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出万有引力定律以来，人们应用引力理论取得了许多成就，也多次试图对该定律进行修正。如：纽科（Newcomo）等人曾提出修正牛顿引力中的平方反比律【3】，Poincare用推迟时t=r/c修正牛顿引力的瞬时超距作用【4】，Einstein则对应提出广义相对论----引力理论，至今，许多人还在从事这方面工作，吕家鸿应用相对论理论直接对牛顿万有引力定律进行修正【5】，【6】，国外，也有人试图从测量万有引力常数变化中，找出第五种基本作用力【7】，[美]R.D.Newman还通过实验提出系数公式 【8】。

牛顿理论导致其在宇宙论方面的困难，按照牛顿的理论，来自无限远处而终止于质量m的“力线”的数目与质量m成正比，如果平均说来质量密度ρ，在整个宇宙中是一个常数，则体积为V的球，即包含平均质量ρV。因此，穿过球面F进入球内的力线数目与ρV成正比，对于单位球面积而言，进入球内的力线就与ρV/F或ρR成正比，因此，随着球半径R的增长，球面上的场强最终就变为无限大，而这是不可能的【9】。尽管希来哲对此困难进行修正，但这些修正和复杂化，既无经验根据亦无理论根据。Einstein广义相对论在宇宙论方面的困难，根据广义相对论可推出宇宙的空间尺度与宇宙的物质平均密度之间的简单关系为：， 其中，在cm.g.s制中，得出2/k=1.08×1027；ρ是物质的平均密度，k是与牛顿引力常数有关的一个常数【10】。实际的平均宇宙密度，无论怎么小，都不可能为零，因而R总是有限的，无论宇宙是准球形，还是准椭球形，按此理论，宇宙总是处于一个有限的空间，对此，Einstein曾说“要建立一个既反对‘灭绝论’，又承认星体的速度很小的边界条件是不可能的”，按W.泡利的说法“宇宙空间是有界的” 【2】。

带电体静电能相互作用能与自能的有关理论也可以推广至引力场，可以进一步探讨自能与引力能之间的关系。例如一个半径为R、 引力质量为m的均匀球体引力自能为W自= 3Gm2/5R，令W自=mc2, 得m/R=5c2/3G,R=3Gm/5c2, 根据此可得电子的半径约为4.04646×10-60m，而电子的经典半径约为2.8×10-15m，说明电子并未达到最大密度或者说存在与万有引力相反的作用力， 因为宇宙中物体的最大密度ρ=m/V=3m/（4πR3）=125c6/(36πG3m2)，所以随着引力质量的增加，密度将逐渐减小，与经典观念差异很大，因此物体之间应存在反引力，它就是Einstein所提到的宇宙常数。２００１年，剑桥大学的天体物理学家迈克尔·墨菲领导的一个小组分析了几十亿光年外一些类星体的光谱，发现其中金属元素谱线有微小变化。由于精细结构常数决定着谱线的结构，研究者据此认为，该常数自宇宙大爆炸以来增大了约０．００１％。但２００４年另一组物理学家说，他们用原子钟对精细结构常数进行了很高精度的测量，并未发现它随时间变化的证据。２００5年４月墨菲小组用夏威夷凯克天文台的世界最大光学望远镜研究了１４３个类星体的光谱，新研究的精度比２００４年原子钟实验精度高１０倍；这项研究显示精细结构常数的确在增大。因为尚未得到证实的超弦理论提出过，所有物理常数都可能因为更高维度空间的变化而变化。有人希望墨菲小组的结果能为全新的物理理论“打开窗口”，而是对的。但并未解决，因为即使最终发现精细结构常数的确随时间变化，也不影响相对论在星系尺度上的适用性，这正是“宇宙常数”项的量子场性质的表现。

（二）暗物质问题的提出

在新世纪之初，美国国家研究委员会发布研究报告，列出了在新世纪需要解答的11个与宇宙有关的难题，并同时建议美国政府的研究机构加强协调，集中资源为这些难题寻找答案.这份题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的报告，是由19位权威物理学家和天文学家联合执笔.科学家们在报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重.“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”，在报告所列出的11个大问题中分列为第一位和第二位。

李政道在《科技导报》2005年第5期上发表的专稿《在我的祖国纪念Einstein》，其中关于能量，有以下四段话：“我们人类能感知到的常规物质的能量（也就是已了解部分的宇宙），只占整个宇宙能量的5%或者更小些，其它95%的能量都不是由我们现在所知的物质构成的。”“我们宇宙中的能量大多数是暗物质和暗能量，既看不见，也不知道是什么东西。暗物质对所有我们能测量的光、电场、磁场、强作用（核的能力场）都不起任何作用，可是，暗物质有引力场（地心吸力就是引力场）。通过引力场我们知道有暗物质存在，而且，暗物质的总能量比我们这类物质的总能量要大了5倍，或5倍以上。可是对暗物质的其它性质，我们完全不知道！”“暗能量的性质更是奇怪，它能产生一种负的压力。Einstein在20世纪早期就曾假设过负压力这种性质的存在。后来，因为没有实验的支持，Einstein就放弃了这一个方向。在裂变和聚变反应中，反应前后物质的质量有少量的差异。按照Einstein的著名质能公式E=mc2，这些少量的质量差异能够转化为巨大的能量。而暗能量可以将物质质量全部消失，完全转化为能量！”“最近几年，通过哈勃太空望远镜，我们发现，我们的宇宙不仅是在膨胀而且是在加速地膨胀。从它膨胀的加速度可以推算出，它是由于一种负压力也就是暗能量的存在才膨胀的。而这暗能量的总量占据全宇宙能量的70%。”

宇宙中普遍存在着“暗物质”（目前未能科学证实的物质存在形式），有三点确认的证据：一是可观察宇宙具有确认的扁平体结构，这是宇宙背景辐射探测器和威尔金森各向异性探测器一致得到的观察结论。既然是扁平体的宇宙结构，就必然有相应的宇宙总质量密度。二是得到天文观察证明的星系或星系团的运动学质量值，这些我们已知的物质量，充其量只能满足这个扁平体结构所需要的总质量密度的4%。三是螺旋星系内部空间的运动学效应，例如要保持太阳目前在银河系中的运动速度（每秒220千米），如果需要太阳所在位置的质量为1个单位的话，太阳实际的质量只占2.6%，97.4%的质量真还不知道藏在什么地方。问题的严重性只需要用一句话就可以概括了；如果20世纪的科学理论只能让世人面对4%（或2.6%）可看得见的物理学天空（现有科学理论适用的范围），问题该有多么严重。

由于真空的特殊地位，李政道等许多理论物理学家都认为：现代物理的疑难可能都与真空有关。李政道教授说:暗物质的存在有什么根据呢？现在我重点讲一下。我们随便看一个星系，它的直径大约为20千秒差距（Kiloparsec）。在星系的周边，随便哪个星，哪个灰尘或者气体云，都各以某一速度运动，离心力是速度的平方除以那一物体离中心的距离r，这个离心力应跟引力相平衡，引力是牛顿常数跟星云里的质量相乘，除以r的平方(即公式 ,等式左边是重力加速度,右边是圆周运动的向心加速度,李政道教授在这里说的离心力,是因为物体在作圆周运动时,向心力与离心力的大小是相等的.).所以如果你已知某个星体离星云中心的距离r，我们测量这个星体的速度V,就可以算出在这个星云里面有多少物质存在。以星系NGC3192为例，它的发光区域长约15千秒差距，但是到距离中心30千伯色处，星的速度还在增加，这表示除了看得见的物质外还有绝大多数是看不见的物质。看得见是什么意思呢？除了眼睛看得见，也包括用电磁波、红外光可以测量。看不见的暗物质不放可见光、红外光或电磁波，但它也有万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度不随距离的增大而减少。这种现象不是个别的，对所有测量过的967个星系，所有测量结果都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里面绝大多数的物质都是暗物质.(引自 李政道.《物理学的挑战》。【11】

从20世纪70年代开始发现，在螺旋星系的外面区域观测到的恒星旋转速度和从星系的可见恒星分布按牛顿定律预见的公转速度之间存在偏差，天文学家认为存在着更多的物质不能被观察，称为暗物质。80年代以前，天文学家认为暗物质与普通物质没有任何区别，然而星系形成的现代研究使宇宙学家相信暗物质中的可以观测到的部分必须具有和普通物质不同的形式，例如轴子、中微子等，现代基本粒子理论预言WIMPS粒子，但在实验上并没有被观测到。看不见的暗物质不放可见光、红外光或电磁波，但它也有万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度不随距离的增大而减少。这种现象不是个别的，对所有测量过的967个星系，所有测量结果都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里面绝大多数的物质都是暗物质.目前，物理学家已经发现，宇宙中光子大约是每个立方厘米为400，其光子能量对应的质量是1.1×0-36克。它对宇宙平均质量密度的贡献是很小的。4.4 × 10-34 g /cm3 < < r o， r o是宇宙质量密度的临界值，这说明，光量子不可能是暗物质。中国科学院何祚庥院士认为，宇宙中是否除质子、中子，电子等“会”发光的物质以外，还存在着在原则上就不会发光的物质，或者说宇宙中是否存在占95%以上的暗物质和暗能量亦即透明物质的问题，这是当前宇宙论研究中一个重大的热点。其实，在宇宙学的领域，直到现在也还没有解决“何谓暗物质”？暗物质有两种形式：一是热暗物质；二是冷暗物质。热暗物质的最佳候选者是中微子。但中微子构成暗物质的前提，是三种中微子之中，至少有某一种中微子具有静止质量。至于冷暗物质，一般公认为带有超对称性质的中性重粒子。

去年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了这一模型。这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就。WMAP的结果告诉我们，宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量,SDSS也给出类似的结果。从物质基本结构的观点出发，普通的物质，如树木、桌子以及我们人类本身，是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的，目前已知的最基本的粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的粒子（如光子，胶子等）。北京正负电子对撞机就是系统地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)轻子。

大量间接证据表明，宇宙中确实存在着暗物质。―种理论认为，暗物质是由弱相互作用大质量粒子（Wimp）构成的。计算机模拟显示，如果缺少了这部分物质，就无法构成现实的宇宙。但由于暗物质本身的特性，要直接找到它们极为困难。证实暗物质存在的最有效方法，就是找到弱相互作用大质量粒子。

（三）暗能量问题的提出

《科学》杂志2004年第10期的劳伦斯·M·克罗斯专访中提到：目前最让物理学家困惑的问题有三个：A、暗能量的本质是什么？B、怎样调和黑洞蒸发与量子力学？C、是否存在额外维度？

自从牛顿提出万有引力定律以来，有关引力机制问题一直未得到完全解决。1916年，Einatein把狭义相对论进一步上升为广义相对论，建立起一种几何化的引力理论，把引力归结为物质的存在所导致的“时空弯曲”，取得很大成功。1929年，Hubble通过天文观测提出了反映星系退移速度与距离关系的哈勃定律；1937年，宋体'>提出大数假说【13】，推测引力常数可能反比于宇宙时标，原子尺度等微观量也可能随着宇宙的膨胀而发生相应的变化。在由Brans—Dicke建立的标量——张量引力理论中，引力常数被认为是与宇宙的质量密度相关，当考虑膨胀宇宙模型时，理论上预言了引力常数随时间减小。进而有多种不同的实验，探讨引力常数的变化规律【13】【14】。1965年，K.L.Stanjukovich从Einatein引力场方程出发并类比给出本底引力子，其能量约为10-51 焦耳，还推断哈勃常数Ho即是本底引力子频率【15】。1975年，S.Malin把宇宙膨胀与物质静质量变化联系起来，指出随着宇宙的膨胀，静质量约按10-10/年的比率而减少【16】。对于宇宙的膨胀，现在大都倾向于宇宙大爆炸理论的解释，并认为引力起着减缓宇宙膨胀速度的作用。1998年，发现宇宙实际上在加速膨胀，令人们感到震惊和困惑，激发了对可能支持膨胀理论的寻找。目前，对宇宙加速膨胀的一种解释是假定存在着一种“暗能量”，它和引力作用相反，推动着宇宙膨胀的越来越快。天文学家发现，在遥远的宇宙空间（约50亿光年），1α型超新星的红移值明显变大了。就是说宇宙在加速膨胀，宇宙膨胀不仅有大爆炸发生后的余力，还有一种根本不了解的反引力存在。按照20世纪的科学理论，就必须存在着一种普通的相互作用力保持着空间结构向外扩张，这就是科学界通常所称的“暗能量”。“暗能量”会是什么呢？我有位朋友持否定态度，他怀疑这些观察有失误或作秀的嫌疑，我向他提了两个问题：一是地球和月球之间，引力的大小与距离平方严格成反比，也就是说纽康系数为零；而行星之间或地日之间，还需要增加1个纽康系数，或者说有一部分引力被反引力抵消了，这是一种什么样的反引力？既然类地行星就有，地面实验室也应该有，我给他设计了一个实验：过冷中子的反引力表达在午夜（24：00）时有1个极大值，在正午（12：00）时有1个极小值，对超流体的多普勒测速也能得到相同的结论。这些实验，有条件的人都可以重复，这是实实在在的一种反引力，您能解开这个死结吗？这是过去任何一种理论都无法解析的。

1998年以来，为解释宇宙加速膨胀运动，一些科学家又提出“暗能量”概念，认为暗能量作为一种巨大的斥力在推动宇宙加速膨胀。揭示宇宙中这两种“黑势力”之谜成为了当前宇宙学的最大一个热点。日前，美国范德比尔特大学的理论物理学家罗伯特·谢勒提出一个新模型，把这两个谜缩减为一个，即认为暗物质和暗能量只是单一一种未知力量的两个方面。6月30日一期《物理学评论通信》杂志上刊载了描述他的这一模型的一篇文章。他说：“思考这个问题的一个方式是：宇宙充塞着一种看不见的流体，这种流体会对常规物质施加压力，并改变宇宙扩张的方式。”谢勒认为，他的这一模型极其简单，并可避免先前试图把暗物质和暗能量统一起来的一些理论模型中的困难。谢勒在其理论模型中，把暗物质和暗能量统归为一种称为“标量场”的奇特能量形式。这种能量场有着严格的定义，而且性质复杂。在此，“场”是指一种具有能量和压力、遍及整个空间物理量。宇宙学家最先是用标量场来解释宇宙大爆炸之后的暴涨过程。根据暴涨理论，宇宙在大爆炸后即经历了一个持续时间不到一秒但暴涨了几万万亿倍的急剧膨胀过程。谢勒在其模型中引入了一个第二代标量场，称为“K-本质”。“K-本质”这一概念是由普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯泰恩哈德等人为解释暗能量而提出来的，但谢勒是第一个指出一种简单的“K-本质”标量场也可以用来解释暗物质的人。科学家们之所以提出“暗物质”和“暗能量”两个不同概念，原因是它们的表现不同。暗物质好像有质量并会形成巨大的团块，宇宙学家事实上计算出这些暗物质团块的引力作用在使常规物质形成星系的过程中起了关键作用。而暗能量相反地似乎是没有质量的，并均匀分布在整个宇宙空间，其作用与引力相反，是一种斥力，把宇宙推散开来。“K-本质”标量场能随时间而改变其行为。谢勒在研究一种非常简单的“K-本质”标量场——其中潜在的能量是固定的——时，发现这种标量场在其演化的某一个阶段时会发生团聚，导致看不见的暗物质粒子的效果，而随后在另一个阶段则会均匀分布在整个空间，具有暗能量一样的性质。谢勒说：“这个模型在一段时间很自然地演化成一种像是暗物质的状态，然后又进到像是暗能量的状态。当我认识到这一点时，我想，‘这看来很有启发意义，值得好好研究一下。’”于是，谢勒更详尽地检查了这个模型，发现它不会产生先前那些试图把暗物质和暗能量统一起来考虑的理论模型的困难。（一）宇宙常数问题的提出

Einstein说：“只要数学上暂时还存在难以克服的困难而不能确立这个理论的经验内涵，逻辑的简单性就是衡量这个理论的价值的惟一准则，即使是一个当然还不充分的准则。” 他说：“理论物理学的目的，是要以数量上尽可能少的、逻辑上互不相关的假设为基础，来建立起概念体系，如果有了这种概念体系，就有可能确立整个物理过程总体的因果关系。”他还说：“科学的目的，一方面是尽可能完备地理解全部感觉经验之间的关系，另一方面是通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到这个目的。”

Einstein和 D.希耳伯特几乎同时在1915年得到了完整的引力场方程。方程左边是描述引力场的时空几何量，右边是作为引力场源的物质能量动量张量。显然，这个方程反映了Einstein的马赫原理的思想。 谈到广义相对论时，Einstein说：“这理论主要吸引人的地方在于逻辑上的完备性。从它推出的许多结论中，只要有一个被证明是错误的，它就必须被抛弃；要对它进行修改而不摧毁其整个结构，那似乎是不可能的。” 广义相对论不可能是物理理论的终结，寻求一个包含广义相对论基本特点的更普遍的理论，是一种合乎逻辑和经验的努力。为了描述时空中某点的弯曲， Einstein的广义相对论需要有20个坐标的函数来描写。“在解 Einstein引力场方程中，存在着数学上的困难。 Einstein的引力度规张量gμν所满足的场方程是一组10个二阶非线性偏微分方程。除个别例子外，这种非线性偏微分方程的解在满足初始或边界条件之后的唯一性，在数学上还没有得到证明……因此,在物理学中遇到一些非线性偏微分方程只能用实验来检验接的正确性。”另外,“在 Einstein场方程解中存在着解的不确定性。 Einstein的度规张量gμν共有10个分量，满足上面提到的10个分量场方程。但在这10个偏微分方程中存在着Bianchi恒等式的4个偏微分关系。也就是说，gμν的10个分量只满足6个独立的方程，因此它们的解是不确定的。”

1916年，Einstein在分析宇宙时发现，根据广义相对论，宇宙是不平衡的，它要么是膨胀，要么是收缩。如果仅仅存在万有引力，那么星系之间应吸引而相互靠近，宇宙应是在收缩。为了使宇宙趋于平衡而完美，Einstein给宇宙方程加了一个常数。1917年，Einstein提出，宇宙间存在一种与万有引力相反的力量，使所有星系保持一定距离，这样宇宙才不会因星体间的万有引力而不断收缩。Einstein认为这种与万有引力相反的力量是恒久不变的，称之为“宇宙常数”。Einstein场方程为Rμν— 0.5gμνR+υgμν= —8πGTμν，υ称为宇宙常数，由于增加了υgμν项，该方程在稳态、弱场非相对论近似下，回不到引力方程。因此只有假定υ非常小，在一般space-time范围与Newton引力势相比可以略去，上面的场方程才可能成立。故υgμν项，只有space-time在宇宙级上才有显示。

当代著名的天体物理学家F. Hoyle等人强烈主张稳态的宇宙模型，并作了许多工作。但如不从根本上找到Newton万有引力理论和Einstein广义相对论本身的缺陷，则很难建立令人信服的稳态宇宙模型。【1】自从牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出万有引力定律以来，人们应用引力理论取得了许多成就，也多次试图对该定律进行修正。如：纽科（Newcomo）等人曾提出修正牛顿引力中的平方反比律【3】，Poincare用推迟时t=r/c修正牛顿引力的瞬时超距作用【4】，Einstein则对应提出广义相对论----引力理论，至今，许多人还在从事这方面工作，吕家鸿应用相对论理论直接对牛顿万有引力定律进行修正【5】，【6】，国外，也有人试图从测量万有引力常数变化中，找出第五种基本作用力【7】，[美]R.D.Newman还通过实验提出系数公式 【8】。

牛顿理论导致其在宇宙论方面的困难，按照牛顿的理论，来自无限远处而终止于质量m的“力线”的数目与质量m成正比，如果平均说来质量密度ρ，在整个宇宙中是一个常数，则体积为V的球，即包含平均质量ρV。因此，穿过球面F进入球内的力线数目与ρV成正比，对于单位球面积而言，进入球内的力线就与ρV/F或ρR成正比，因此，随着球半径R的增长，球面上的场强最终就变为无限大，而这是不可能的【9】。尽管希来哲对此困难进行修正，但这些修正和复杂化，既无经验根据亦无理论根据。Einstein广义相对论在宇宙论方面的困难，根据广义相对论可推出宇宙的空间尺度与宇宙的物质平均密度之间的简单关系为：， 其中，在cm.g.s制中，得出2/k=1.08×1027；ρ是物质的平均密度，k是与牛顿引力常数有关的一个常数【10】。实际的平均宇宙密度，无论怎么小，都不可能为零，因而R总是有限的，无论宇宙是准球形，还是准椭球形，按此理论，宇宙总是处于一个有限的空间，对此，Einstein曾说“要建立一个既反对‘灭绝论’，又承认星体的速度很小的边界条件是不可能的”，按W.泡利的说法“宇宙空间是有界的” 【2】。

带电体静电能相互作用能与自能的有关理论也可以推广至引力场，可以进一步探讨自能与引力能之间的关系。例如一个半径为R、 引力质量为m的均匀球体引力自能为W自= 3Gm2/5R，令W自=mc2, 得m/R=5c2/3G,R=3Gm/5c2, 根据此可得电子的半径约为4.04646×10-60m，而电子的经典半径约为2.8×10-15m，说明电子并未达到最大密度或者说存在与万有引力相反的作用力， 因为宇宙中物体的最大密度ρ=m/V=3m/（4πR3）=125c6/(36πG3m2)，所以随着引力质量的增加，密度将逐渐减小，与经典观念差异很大，因此物体之间应存在反引力，它就是Einstein所提到的宇宙常数。２００１年，剑桥大学的天体物理学家迈克尔·墨菲领导的一个小组分析了几十亿光年外一些类星体的光谱，发现其中金属元素谱线有微小变化。由于精细结构常数决定着谱线的结构，研究者据此认为，该常数自宇宙大爆炸以来增大了约０．００１％。但２００４年另一组物理学家说，他们用原子钟对精细结构常数进行了很高精度的测量，并未发现它随时间变化的证据。２００5年４月墨菲小组用夏威夷凯克天文台的世界最大光学望远镜研究了１４３个类星体的光谱，新研究的精度比２００４年原子钟实验精度高１０倍；这项研究显示精细结构常数的确在增大。因为尚未得到证实的超弦理论提出过，所有物理常数都可能因为更高维度空间的变化而变化。有人希望墨菲小组的结果能为全新的物理理论“打开窗口”，而是对的。但并未解决，因为即使最终发现精细结构常数的确随时间变化，也不影响相对论在星系尺度上的适用性，这正是“宇宙常数”项的量子场性质的表现。

（二）暗物质问题的提出

在新世纪之初，美国国家研究委员会发布研究报告，列出了在新世纪需要解答的11个与宇宙有关的难题，并同时建议美国政府的研究机构加强协调，集中资源为这些难题寻找答案.这份题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的报告，是由19位权威物理学家和天文学家联合执笔.科学家们在报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重.“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”，在报告所列出的11个大问题中分列为第一位和第二位。

李政道在《科技导报》2005年第5期上发表的专稿《在我的祖国纪念Einstein》，其中关于能量，有以下四段话：“我们人类能感知到的常规物质的能量（也就是已了解部分的宇宙），只占整个宇宙能量的5%或者更小些，其它95%的能量都不是由我们现在所知的物质构成的。”“我们宇宙中的能量大多数是暗物质和暗能量，既看不见，也不知道是什么东西。暗物质对所有我们能测量的光、电场、磁场、强作用（核的能力场）都不起任何作用，可是，暗物质有引力场（地心吸力就是引力场）。通过引力场我们知道有暗物质存在，而且，暗物质的总能量比我们这类物质的总能量要大了5倍，或5倍以上。可是对暗物质的其它性质，我们完全不知道！”“暗能量的性质更是奇怪，它能产生一种负的压力。Einstein在20世纪早期就曾假设过负压力这种性质的存在。后来，因为没有实验的支持，Einstein就放弃了这一个方向。在裂变和聚变反应中，反应前后物质的质量有少量的差异。按照Einstein的著名质能公式E=mc2，这些少量的质量差异能够转化为巨大的能量。而暗能量可以将物质质量全部消失，完全转化为能量！”“最近几年，通过哈勃太空望远镜，我们发现，我们的宇宙不仅是在膨胀而且是在加速地膨胀。从它膨胀的加速度可以推算出，它是由于一种负压力也就是暗能量的存在才膨胀的。而这暗能量的总量占据全宇宙能量的70%。”

宇宙中普遍存在着“暗物质”（目前未能科学证实的物质存在形式），有三点确认的证据：一是可观察宇宙具有确认的扁平体结构，这是宇宙背景辐射探测器和威尔金森各向异性探测器一致得到的观察结论。既然是扁平体的宇宙结构，就必然有相应的宇宙总质量密度。二是得到天文观察证明的星系或星系团的运动学质量值，这些我们已知的物质量，充其量只能满足这个扁平体结构所需要的总质量密度的4%。三是螺旋星系内部空间的运动学效应，例如要保持太阳目前在银河系中的运动速度（每秒220千米），如果需要太阳所在位置的质量为1个单位的话，太阳实际的质量只占2.6%，97.4%的质量真还不知道藏在什么地方。问题的严重性只需要用一句话就可以概括了；如果20世纪的科学理论只能让世人面对4%（或2.6%）可看得见的物理学天空（现有科学理论适用的范围），问题该有多么严重。

由于真空的特殊地位，李政道等许多理论物理学家都认为：现代物理的疑难可能都与真空有关。李政道教授说:暗物质的存在有什么根据呢？现在我重点讲一下。我们随便看一个星系，它的直径大约为20千秒差距（Kiloparsec）。在星系的周边，随便哪个星，哪个灰尘或者气体云，都各以某一速度运动，离心力是速度的平方除以那一物体离中心的距离r，这个离心力应跟引力相平衡，引力是牛顿常数跟星云里的质量相乘，除以r的平方(即公式 ,等式左边是重力加速度,右边是圆周运动的向心加速度,李政道教授在这里说的离心力,是因为物体在作圆周运动时,向心力与离心力的大小是相等的.).所以如果你已知某个星体离星云中心的距离r，我们测量这个星体的速度V,就可以算出在这个星云里面有多少物质存在。以星系NGC3192为例，它的发光区域长约15千秒差距，但是到距离中心30千伯色处，星的速度还在增加，这表示除了看得见的物质外还有绝大多数是看不见的物质。看得见是什么意思呢？除了眼睛看得见，也包括用电磁波、红外光可以测量。看不见的暗物质不放可见光、红外光或电磁波，但它也有万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度不随距离的增大而减少。这种现象不是个别的，对所有测量过的967个星系，所有测量结果都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里面绝大多数的物质都是暗物质.(引自 李政道.《物理学的挑战》。【11】

从20世纪70年代开始发现，在螺旋星系的外面区域观测到的恒星旋转速度和从星系的可见恒星分布按牛顿定律预见的公转速度之间存在偏差，天文学家认为存在着更多的物质不能被观察，称为暗物质。80年代以前，天文学家认为暗物质与普通物质没有任何区别，然而星系形成的现代研究使宇宙学家相信暗物质中的可以观测到的部分必须具有和普通物质不同的形式，例如轴子、中微子等，现代基本粒子理论预言WIMPS粒子，但在实验上并没有被观测到。看不见的暗物质不放可见光、红外光或电磁波，但它也有万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度不随距离的增大而减少。这种现象不是个别的，对所有测量过的967个星系，所有测量结果都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里面绝大多数的物质都是暗物质.目前，物理学家已经发现，宇宙中光子大约是每个立方厘米为400，其光子能量对应的质量是1.1×0-36克。它对宇宙平均质量密度的贡献是很小的。4.4 × 10-34 g /cm3 < < r o， r o是宇宙质量密度的临界值，这说明，光量子不可能是暗物质。中国科学院何祚庥院士认为，宇宙中是否除质子、中子，电子等“会”发光的物质以外，还存在着在原则上就不会发光的物质，或者说宇宙中是否存在占95%以上的暗物质和暗能量亦即透明物质的问题，这是当前宇宙论研究中一个重大的热点。其实，在宇宙学的领域，直到现在也还没有解决“何谓暗物质”？暗物质有两种形式：一是热暗物质；二是冷暗物质。热暗物质的最佳候选者是中微子。但中微子构成暗物质的前提，是三种中微子之中，至少有某一种中微子具有静止质量。至于冷暗物质，一般公认为带有超对称性质的中性重粒子。

去年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了这一模型。这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就。WMAP的结果告诉我们，宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量,SDSS也给出类似的结果。从物质基本结构的观点出发，普通的物质，如树木、桌子以及我们人类本身，是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的，目前已知的最基本的粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的粒子（如光子，胶子等）。北京正负电子对撞机就是系统地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)轻子。

大量间接证据表明，宇宙中确实存在着暗物质。―种理论认为，暗物质是由弱相互作用大质量粒子（Wimp）构成的。计算机模拟显示，如果缺少了这部分物质，就无法构成现实的宇宙。但由于暗物质本身的特性，要直接找到它们极为困难。证实暗物质存在的最有效方法，就是找到弱相互作用大质量粒子。

（三）暗能量问题的提出

《科学》杂志2004年第10期的劳伦斯·M·克罗斯专访中提到：目前最让物理学家困惑的问题有三个：A、暗能量的本质是什么？B、怎样调和黑洞蒸发与量子力学？C、是否存在额外维度？

自从牛顿提出万有引力定律以来，有关引力机制问题一直未得到完全解决。1916年，Einatein把狭义相对论进一步上升为广义相对论，建立起一种几何化的引力理论，把引力归结为物质的存在所导致的“时空弯曲”，取得很大成功。1929年，Hubble通过天文观测提出了反映星系退移速度与距离关系的哈勃定律；1937年，宋体'>提出大数假说【13】，推测引力常数可能反比于宇宙时标，原子尺度等微观量也可能随着宇宙的膨胀而发生相应的变化。在由Brans—Dicke建立的标量——张量引力理论中，引力常数被认为是与宇宙的质量密度相关，当考虑膨胀宇宙模型时，理论上预言了引力常数随时间减小。进而有多种不同的实验，探讨引力常数的变化规律【13】【14】。1965年，K.L.Stanjukovich从Einatein引力场方程出发并类比给出本底引力子，其能量约为10-51 焦耳，还推断哈勃常数Ho即是本底引力子频率【15】。1975年，S.Malin把宇宙膨胀与物质静质量变化联系起来，指出随着宇宙的膨胀，静质量约按10-10/年的比率而减少【16】。对于宇宙的膨胀，现在大都倾向于宇宙大爆炸理论的解释，并认为引力起着减缓宇宙膨胀速度的作用。1998年，发现宇宙实际上在加速膨胀，令人们感到震惊和困惑，激发了对可能支持膨胀理论的寻找。目前，对宇宙加速膨胀的一种解释是假定存在着一种“暗能量”，它和引力作用相反，推动着宇宙膨胀的越来越快。天文学家发现，在遥远的宇宙空间（约50亿光年），1α型超新星的红移值明显变大了。就是说宇宙在加速膨胀，宇宙膨胀不仅有大爆炸发生后的余力，还有一种根本不了解的反引力存在。按照20世纪的科学理论，就必须存在着一种普通的相互作用力保持着空间结构向外扩张，这就是科学界通常所称的“暗能量”。“暗能量”会是什么呢？我有位朋友持否定态度，他怀疑这些观察有失误或作秀的嫌疑，我向他提了两个问题：一是地球和月球之间，引力的大小与距离平方严格成反比，也就是说纽康系数为零；而行星之间或地日之间，还需要增加1个纽康系数，或者说有一部分引力被反引力抵消了，这是一种什么样的反引力？既然类地行星就有，地面实验室也应该有，我给他设计了一个实验：过冷中子的反引力表达在午夜（24：00）时有1个极大值，在正午（12：00）时有1个极小值，对超流体的多普勒测速也能得到相同的结论。这些实验，有条件的人都可以重复，这是实实在在的一种反引力，您能解开这个死结吗？这是过去任何一种理论都无法解析的。

1998年以来，为解释宇宙加速膨胀运动，一些科学家又提出“暗能量”概念，认为暗能量作为一种巨大的斥力在推动宇宙加速膨胀。揭示宇宙中这两种“黑势力”之谜成为了当前宇宙学的最大一个热点。日前，美国范德比尔特大学的理论物理学家罗伯特·谢勒提出一个新模型，把这两个谜缩减为一个，即认为暗物质和暗能量只是单一一种未知力量的两个方面。6月30日一期《物理学评论通信》杂志上刊载了描述他的这一模型的一篇文章。他说：“思考这个问题的一个方式是：宇宙充塞着一种看不见的流体，这种流体会对常规物质施加压力，并改变宇宙扩张的方式。”谢勒认为，他的这一模型极其简单，并可避免先前试图把暗物质和暗能量统一起来的一些理论模型中的困难。谢勒在其理论模型中，把暗物质和暗能量统归为一种称为“标量场”的奇特能量形式。这种能量场有着严格的定义，而且性质复杂。在此，“场”是指一种具有能量和压力、遍及整个空间物理量。宇宙学家最先是用标量场来解释宇宙大爆炸之后的暴涨过程。根据暴涨理论，宇宙在大爆炸后即经历了一个持续时间不到一秒但暴涨了几万万亿倍的急剧膨胀过程。谢勒在其模型中引入了一个第二代标量场，称为“K-本质”。“K-本质”这一概念是由普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯泰恩哈德等人为解释暗能量而提出来的，但谢勒是第一个指出一种简单的“K-本质”标量场也可以用来解释暗物质的人。科学家们之所以提出“暗物质”和“暗能量”两个不同概念，原因是它们的表现不同。暗物质好像有质量并会形成巨大的团块，宇宙学家事实上计算出这些暗物质团块的引力作用在使常规物质形成星系的过程中起了关键作用。而暗能量相反地似乎是没有质量的，并均匀分布在整个宇宙空间，其作用与引力相反，是一种斥力，把宇宙推散开来。“K-本质”标量场能随时间而改变其行为。谢勒在研究一种非常简单的“K-本质”标量场——其中潜在的能量是固定的——时，发现这种标量场在其演化的某一个阶段时会发生团聚，导致看不见的暗物质粒子的效果，而随后在另一个阶段则会均匀分布在整个空间，具有暗能量一样的性质。谢勒说：“这个模型在一段时间很自然地演化成一种像是暗物质的状态，然后又进到像是暗能量的状态。当我认识到这一点时，我想，‘这看来很有启发意义，值得好好研究一下。’”于是，谢勒更详尽地检查了这个模型，发现它不会产生先前那些试图把暗物质和暗能量统一起来考虑的理论模型的困难。