「第一常數」和暗能量密度不變性原理

我們可以將「宇宙學常數」概念劃分為兩大類，一種是狹義的宇宙學常數，一種是廣義的宇宙學常數。愛因斯坦定義了狹義的宇宙學常數概念，1917年，他將廣義相對論應用到宇宙學的研究，在理想宇宙模型的前提下建立了現代宇宙的基石——宇宙引力的場方程，由於受到當時天文觀測成果的限制，與牛頓運動學和引力理論「針鋒相對」的愛因斯坦在宇宙模式的選擇上卻回到了牛場的立場，相信一個靜態宇宙的模式，為了使場方程滿足在物質密度不為零的條件下宇宙靜態的條件，他在場方程中人為地添加了一項抵抗引力收縮或時空膨脹的常數項，為什麼將維持宇宙靜態平衡的常數項稱之為「宇宙學常數」？這是因為常數項的值很小，在太陽系和銀河系的尺度可以忽略不計，這是我們看不到太陽系和銀河系發生膨脹的原因，而在星系團和宇宙的大尺度將會發揮顯著的作用，這是我們看到遙遠的星系都在遠離我們的原因。愛因斯坦沒有將宇宙學常數定義為「暗能量」，但是，物理學家從宇宙學常數中看到了「暗能量」的物理意義，在兩個物理概念之間建立了符合「等效原理」的聯繫。

愛因斯坦在1929年得知美國天文學家哈勃發現了星系紅移或「哈勃紅移」，觀測結果證明了宇宙的膨脹，他果斷地放棄了場方程中的常數項，愛因斯坦認為這是他一生犯下的最大錯誤。自從物理學家將狹義的宇宙學常數正確地理解為「暗能量」之後，從科學史的角度來分析，我們有必要糾正一下愛因斯坦「謙虛」和「遺憾」的說法，他犯下的「最大錯誤」恰恰不是在場方程中引入了常數項，而是主動放棄了這一常數，愛因斯坦也許沒有像多數物理學家一樣，從常數項中發現了新的物理意義，宇宙學常數的物理學意義是暗能量，或者暗能量的物理學意義是宇宙學常數。2013年，天體物理學家馬里奧·利維奧出版了著作《傑出的錯誤》，利維奧在書中糾正了愛因斯坦在一生當中「最大錯誤」的說法，將「愛因斯坦的錯」從引入宇宙學常數「轉移」到撤銷這一常數。1998年，天文團隊發現了宇宙的加速膨脹，物理學家索爾·帕爾馬特，布萊恩·施密特和亞當·里斯通過觀測遙遠的超新星而發現了宇宙的加速膨脹現象，加州大學、澳大利亞國立大學和約翰·霍普金斯大學的「三人小組」獲得了2011年度的諾貝爾物理學獎。我們可以將哈勃在1929的觀測成果看成是「第一次發現」，將天文團隊的觀測成果看成是「第二次發現」，兩次大發現符合宇宙哲學膨脹論的「等效原理」，沒有給哈勃頒發是諾獎委員會犯下的一個「最大錯誤」。

我們將暗能量看成是宇宙學的「第一常數」。暗能量的密度和總量決定了宇宙膨脹率或「哈勃常數」的大小。宇宙學家將宇宙膨脹率或「哈勃常數」換算成暗能量的密度。隨著宇宙的膨脹，宇宙中的物質和暗物質密度呈不斷下降的趨勢，如果宇宙膨脹的體積「加倍」，物質和暗物質的密度則「減倍」，宇宙的最奇異之處是暗能量密度在時空膨脹過程中保持不變，我們將作為宇宙學常數的暗能量密度的不變性稱之為「暗能量密度不變性原理」，作為宇宙學常數的暗能量有系列的未解之謎，比如：天體物理學家發現，暗能量的「覺醒」發生在距今大約90億年以前，天文學家只有在最近一、二十年借助先進的觀測技術才能發現暗能量的「發力點」。我們可以將宇宙學的「第一常數」進行「人擇原理」的解釋，暗能量密度和「哈勃常數」不能大一點，也不能小一點，如果常數值稍大一點，那麼宇宙這台精密的「超級機器」就不會演變成現有的天體結構，松散的氣體和塵埃將沒有足夠的引力聚合成星雲，星雲沒有足夠的引力形成恒星和星系，沒有原初恒星系雲團，就不會有行星的形成，原初生命和人類將沒有機會在地球誕生。反之，如果宇宙學常數稍小一點，那麼宇宙的演變將展示另一番景致，暗能量的排斥力不能抵消物質和暗物質的引力，宇宙在物質和暗物質密度不斷增大的情形下將發生加速大收縮，地球上的生命和人類，系外「地球」上的「外星人」將會在「大擠壓」下走向毀滅。宇宙的加速膨脹或減速膨脹和宇宙的加速收縮或減速收縮符合宇宙哲學的「反等效原理」。

除了對宇宙學常數進行「人擇原理」的解釋，我們還可以對這一常數進行「多重宇宙原理」的闡釋。在可觀測的宇宙之外也許存在更多的宇宙，可以將距離我們很近的宇宙稱之為「臨近宇宙」，就像將距離我們很近的星系和黑洞稱之為「臨近星系」和「臨近黑洞」；同樣可以將距離我們很遠的宇宙稱之為「遙遠宇宙」，就像將距離我們很遠的星系和黑洞稱之為「遙遠星系」和「遙遠黑洞」一樣。在一個宇宙內的常數項保持不變，這是由「暗能量密度的不變原理」決定的，而不同的宇宙有不同的宇宙學常數，這是由不同宇宙的「內稟性」決定的，一個宇宙對應一個宇宙學常數，這是由多重宇宙哲學的「對應原理」決定的，每個宇宙具有常數項的「內稟性」，這是由多重宇宙哲學的「差異原理」決定的。根據多重宇宙哲學的「廣義測不準原理」，人們在現有的天文觀測能力和宇宙學認識的水平上不可能知道有多少個多重宇宙，同樣，人們不知道有多少個宇宙學常數，有的宇宙學家為了「填補空白」，從某種弦理論和多重宇宙模型的數學計算中找到10的500次方、10的1000次方個宇宙或宇宙常數項。量子物理學允許的誤差極低，而天體物理學允許的誤差極高，而誤差值在不同的物理領域有很大的不同。

物理學家除了不能解釋「暗能量密度不變性原理」以外，另一個他們不能解釋的與暗能量有關的問題是觀測值和計算值的巨大差異，根據量子場論計算出的宇宙學常數或暗能量密度比實際天文觀測的結果高出了10的120次方，這種「難以容忍」的數量級差異反映了量子場論和宇宙學的不相容性，就像量子力學和廣義相對論的不相容一樣，兩者的不相容符合哲學邏輯論的「等效原理」。暗能量的「第一個不能解釋」——密度不變性和暗能量的「第二個不能解釋」——理論計算和觀測結果的差異符合哲學未知論的「等效原理」。物理學家傾向於認為「第一個不能解釋」是宇宙學的最大問題，我們可以將「第二個不能解釋」看成是宇宙學的最大難題，兩者解釋的難易性符合哲學認識論的「等效原理」。對於暗能量發揮作用的時間，我們暫時接受物理學家的說法，即：暗能量在大約90億年前開始「覺醒」，用它的排斥力來抵抗物質和暗物質的引力，在大約50億到60億年前開始超越物質和暗物質的引力，暗能量的排斥力將我們的宇宙推向一種加速膨脹的狀態，我們從中發現了暗能量的「第三個不能解釋」，即：暗能量的斥力為什麼與物質和暗物質的引力出現了不平衡？為什麼產生兩種相反作用力大小的「對稱性破缺」？暗能量的「三個不能解釋」反映了宇宙物理學的「三大問題」，如果說哲學是一門「無用的科學」，那麼說哲學家只能提出這些問題，科學家的未來使命是找到這些問題的答案。

我們將愛因斯坦引進的宇宙常數項定義為狹義宇宙學常數，而將物理學、化學、生物學等基礎科學領域出現的常數項定義為廣義宇宙學常數，按照這樣的定義，「宇宙學常數」只是廣義宇宙常數中的一個，或者宇宙學的「第一常數」和其它物理、化學、生物學的常數構成了一個廣義宇宙學常數的「圖表」，就像存在「暗能量密度不變性原理」一樣，存在物理和化學常數的不變性，這些廣義的宇宙常數符合宇宙哲學不變性的「等效原理」。不清楚在我們的宇宙和多重宇宙中存在多少種宇宙常數，我們已知的物理常數有牛頓萬有公式中的引力常數，愛因斯坦相對論中在真空運動的光速，普朗克在創立量子論時發現了普朗克常數，除了「三種常數」以外，常見的物理學基本常數還有電子的質量和電荷，阿伏伽德羅常數，波爾茲漫常數等數十種。根據哲學推廣論的「等效原理」，我們同樣可以將有相互聯繫的基本物理學常數項進行在「人擇原理」和「多重宇宙理論」基礎上的解釋，比如：「萬古不變」的引力常數在我們的宇宙中既不能稍微大一點，也不能稍微小一點，有物理學家發現萬有引力常數在過去90億年的變化率不超過一億分之一，如果引力常數的變化值大於或小於一億分之一，我們的宇宙將變得非常不同，地球生命和人類的誕生與毀滅將是一個未知的謎題。不同的宇宙也許有不同的引力常數，在不同宇宙引力的作用下，有的宇宙呈「扁平型」，有的呈「馬鞍型」，有的呈「雙曲線線型」，還有我們未知的多重宇宙形狀。

（宇哲手稿：鄧如山

時間：2018-11-1）