预见暗能量

恩斯特·马赫（Ernst Mach）于1916年逝世，有人觉得，如果他还在世，一定会反对在广义相对论方程式中引入一个跟人的感官体验毫无关系的项。就像牛顿用绝对空间来定义惯性，爱因斯坦引入一个宇宙项也不符合马赫的思想。马赫的另一个追随者——薛定谔提出了一个更加实际客观的形式来取代爱因斯坦的宇宙常数。

1916年末，当薛定谔最早了解到爱因斯坦广义相对论完整场方程式的时候，他正在普罗塞克指挥一场战役。[10]1917年春天返回维也纳后，他发现大学里的很多同事，包括瑟林在内，都在忙着寻求对爱因斯坦的理论的阐释，并将之应用于研究。例如，瑟林和奥地利物理学家约瑟夫·兰斯（Joseph Lense）一起证明了旋转的物体如何影响其周边的时空，现在称之为“参照系拖曳效应”或者“兰斯-瑟林效应”。

1917年11月，薛定谔向德国《物理学杂志》提交了两篇从不同角度解析广义相对论的论文。在第一篇论文中，薛定谔针对在某种程度上独立于坐标系选择的逐个点上的引力势能和动量问题进行了解释。他检验了史瓦西的解，并表明，采用其中一种方式计算的物体的引力势能结果为零，这一结果令人惊讶。有趣的是，薛定谔提出的这个问题，引发了日后几十年里对于如何在广义相对论内定义能量的问题的讨论。

薛定谔的第二篇论文《关于广义协变引力场方程的一系列解》，正面研究了宇宙常数的物理性问题。薛定谔对爱因斯坦在方程式的几何一侧（爱因斯坦张量）引入一个项的做法提出了质疑。他认为改变一下等式的物质一侧（应力能量张量）就能达到相同的效果。薛定谔说道：“完整的功能相同的一系列解存在于最初的方程式中，爱因斯坦先生无须为其额外增加一个项。其作用只是表面的，效果微乎其微：势能没有改变，只是物质的能量张量稍稍换了个形式而已。”[11]

薛定谔引入的这个“张力”（拉伸）项通过添加一种负能量，使得质量密度为零，进而达到抵消物质的引力效应的效果。若是空间的质量密度为零，那么宇宙就不会形成引力坍缩，因此就会保持稳定状态。马赫认为，只有质量极大的时候，质量才值得人们注意。薛定谔用这种观点证明零质量的正确性。这一论点与“只有跟其他颜色对比时，我们才发现黑白色调”相似。我们可能认为纯黑天空或者纯白天空根本没有颜色。

爱因斯坦马上发表了一篇文章，来回应薛定谔的有关宇宙的论文——一场跌宕起伏、旷日持久的科学对话开始了。他指出，薛定谔的假说带来了两种情况：某个新的常数项，或是一种带有负密度，在各个点上各不相同的新型能量。爱因斯坦认为，第一种情况，其实完全等同于宇宙常数，只不过是放在了方程式的另一侧。而后者呢，则不符合物理学，因为它必须要具有负能量密度，而且无法测量。爱因斯坦写道：“我们不仅要假设星际空间存在某种不可见的负密度，而且还要提出一个关于这种质量密度的时空分布假说的定律。于我而言，薛定谔先生的思路似乎不太可行，因为这会陷入种种假设的深渊。”[12]

有趣的是，这种负能量密度的物质，或者换句话说，具有负压力的物质近年来成了解释宇宙谜团的可能的解决方案。1998年，两队天文学家对宇宙膨胀的发现有力地支持了哈勃的发现。他们发现不仅宇宙在膨胀，而且膨胀的速度也在加快。一些未知的东西正在加速宇宙膨胀。芝加哥大学宇宙学家迈克尔·特纳（Michael Turner）将这种未知的东西称为“暗能量”。

有意思的是，薛定谔提出且跟爱因斯坦讨论过的这种抵消引力作用的物质，竟然成了最终的解释。基于这一原因，科学史学家亚历克斯·哈维认为，是爱因斯坦发现的“暗能量”这一概念。[13]“发现”一词可能有些言过其实，因为当时根本没有切实存在的物理学上的动力，驱使人们作出这种发现。更精确地说应该是，1917年他曾设想过，这样一种负能量物质可能会存在，他却从未想到宇宙真的会由于某些未知原因而加速膨胀。然而不管怎么说，有关暗能量的研究基础竟然那么早就奠定了。