天空和实验室中的暗能量
（《新发现》专栏，勿转）
暗能量的发现已经有了10年以上的历史。当Adam Riess和Saul Perlmutter分别领导的两个小组发现宇宙加速膨胀时，如同历史上所有重大科学发现一样，给科学界带来地震，因为这个发现完全出乎意料，而且很难用已有的理论来解释。
我虽然为本专栏写过几次暗能量，这次还是有必要再重复一遍暗能量的特点。首先，它是一种能量，其次，它是一种不同于物质的能量。众所周知，牛顿万有引力定律告诉我们，任何有质量的物体都会产生引力，例如地球，我们的体重就是地球引力的反映。结合爱因斯坦相对论中的质能关系，能量同样产生引力，例如分子运动对能量有贡献，从而对物体的质量也有贡献，分子运动从而也产生引力。极端的能量的例子是光子，单个光子本身没有质量却有能量，一个光子组成的气体也产生引力。
在宇宙学中，不论是普通的低速粒子还是高速的光子，它们都产生引力，从而使得宇宙膨胀的速度越来越小。暗能量，既不同于低速粒子也不同于光子，它产生的力不是引力却是排斥力。有了暗能量，宇宙膨胀的速度有可能越来越大。Riess和Perlmutter等人发现的是宇宙加速膨胀，这个加速度极有可能是暗能量导致的。在暗能量之外，也存在其他理论解释宇宙加速膨胀，例如有人认为引力理论在宇宙的尺度上被修改了，还有人认为宇宙不是均匀的，而是有着类似洋葱的结构。但暗能量是宇宙加速最简单的解释，大多数人采取这个解释。
那么，暗能量是如何提供排斥力的呢？直观上，很难理解暗能量会提供斥力，因为这似乎与爱因斯坦的理论矛盾。有一个不是非常直观的解释。我们知道，粒子和光子的运动提供能量，同时也提供压力，爱因斯坦理论告诉我们，压力对引力也有贡献，这其实和运动对能量有贡献类似（压力是运动产生的）。粒子的运动速度很低时，压力基本可以忽略，而接近光速运动的粒子有着很大的压力，光压在实验室是直接可以测量的。光压也产生引力，它对宇宙减速的贡献和能量对宇宙减速的贡献一样大！
现在，我们可以解释为什么暗能量会产生斥力了。暗能量对宇宙加速有两个贡献。首先是能量的贡献，这部分产生引力也就是减速度，但是，暗能量的压力部分产生斥力，当这个斥力的绝对大小超过引力时，宇宙就被加速了。所以，任何一个暗能量模型都要满足这个要求：压力是负的，且压力产生的斥力大于能量产生的引力。
宇宙即天上的暗能量的测量有很多种。最典型的就是Riess和Perlmutter最初采用的那种，通过选取宇宙中的“路灯”来测量不同距离上宇宙的速度，假定这些路灯与宇宙膨胀一同运动。现在，大家承认同时距离又很大的路灯是Ia型超新星。超新星爆发的能量是很大的，所以即使它们很远我们也能通过巨大的望远镜看到。另外还有一种能量更大的天体，即伽玛暴，它们可能在更远的距离上被我们看到。但是伽玛暴是否是合适的路灯还存在争议，因为我们不知道它们的能量范围是否是固定的，因此我们不能通过视亮度来决定它们到底有多远。
宇宙膨胀的历史还会在其它观测实验中体现出来，例如微波背景辐射，大尺度结构中的一些细节。这些数据也能帮助我们决定宇宙的加速度。到目前为止，所有体现宇宙膨胀历史的数据都支持宇宙是加速的，从而支持暗能量的存在。
天空中的实验往往耗资巨大，费时长久。例如，计划中的所谓联合暗能量使命这个巨大计划有可能因主要支持单位美国能源部和美国航天署的争吵而搁浅（第三个伙伴欧洲航天局也加入了争吵）。即使这项计划最终能够顺利执行，等到升空大约是7年以后，等到它带给我们关于暗能量的信息需要更长的时间。
那么，暗能量是否可以在实验室中直接探测到？如果我们能够在实验室中直接测量暗能量，也许就可以在花费较少周期较短的情况下找到暗能量的性质。如果我们试图在实验室探测和天空中一样的暗能量，答案很可能是否定的，因为暗能量虽然主导宇宙，但它的密度非常低，低到每立方米只有几个质子大小的能量。而且，暗能量很可能就是真空能，真空能除了引力作用外还不知道是否有其他作用。
不过，事情并没有看上去这么绝望。我们知道，很久以前Casimir曾经发现两块很大的平行导电板之间的真空能不同于无限大空间中的真空能，其能量密度依赖于平行导电板之间的距离，从而产生引力。这种Casimir力已经被实验物理学家成功地测量到了。后来，前苏联物理学家Lifshitz发现，如果导电板被介电常数有限的介电媒介板代替，两块板之间是介质而不是真空，那么真空能甚至产生斥力。
Casimir-Lifshitz力与两块板之间的距离的四次方成反比，这是因为两块板之间的能量密度与距离的四次方成反比，和宇宙中的暗能量完全不同。观测数据告诉我们，宇宙中的能量密度与宇宙大小的平方成反比，总能量与宇宙的尺度成正比。假如我们设计一种所谓超颖材料来模拟宇宙，那么超颖材料的能量密度也应该和该材料的大小的平方成反比，总能量与材料的大小成正比，而且与Casimir能量不同的是，这个真空能应该是正的而不是负的！
最近我和两位学生做了一个计算，发现按照一定设计制造出来的超颖材料的真空能的确是正的并且与材料大小成正比。如果我们能够在实验室中测量到这个能量，那么，我们猜测，天空中的暗能量很可能就是Casimir能量。
2009年11月14日 20:01:30
谢谢楼上。昨天做报告回来累了，没有回答问题。
2009年11月14日 20:23:12
李老师：
去 重庆有报告么？
袖袖：
我是郭晓鹏(Sauopeung Kowh)同学啊，好久不见了
2009年11月14日 22:08:02
Sauopeung Kowh：
已经报告了，给本科生做科普。
2009年11月15日 8:57:22
晓鹏,
谢谢！
好久不见。
2009年11月15日 14:28:37
李老师：
请教一个naive问题：要产生casimir能量是否要求这两块板靠得很近？那如果认为暗能量是casimir能量的话，那宇宙中由什么来充当这两块靠得很近的无限大平行板呢？谢谢！
2009年11月15日 14:50:00
梨园世家：
任何空腔都会有Casimir效应，宇宙的视界就充当空腔的边界，但与通常Casimir效应不同的时，宇宙中的暗能量需要正比于宇宙的大小，而不是反比于宇宙的大小。
2009年11月19日 21:41:50
如果这个“超硬材料”的能量是正的，那就与引力是类似的
要么，沿着它向材料中心计算，没到达中点就遭遇到无穷大，这种材料不能制造出来
要么….呵呵
2009年11月29日 19:05:57
李老师能不能给我一个联系方式，我是一个学数学的本科在读生，很喜欢关于M理论方面，想学习这方面，所以选择先学数学来打开道路，只是还有好多关于这方面的疑问以及一些迷茫，希望能得到李老师的引导，留下我的邮箱，xuyanqing1031@126.com，望老师指点指点，谢谢老师啦
2009年11月29日 19:16:35
徐：
那就继续研究数学吧，物理和数学毕竟不同。
2009年11月29日 22:28:36
敬爱的李淼老师：
—–打扰了！我在11月25号给你寄了《w理论-关于本体（真空）的数学物理方法》一书，不知您可否收到。给您寄书主要是想让您斧正书中的内容。书中重要的内容是W理论，W理论有两个基本发现：一是六维空间的发现；二是一个玄妙自洽的数理系统的发现，这两个发现的结合便产生了W理论。在W理论中，空间、场、粒子构成了三位一体的物理实在，但三者各自又都不具有独立存在的意义。W理论在数学上是一个美妙的、全新的几何学；在物理学上是独立于现代物理学框架之外的原创性物理理论。在W理论中，量子理论与相对论完美地融为一体；四种力（强力、引力、弱力、电磁力）基于同一个数理系统而自然地统一为一体。对于诸多物理学前沿难题，W理论都给出了合理的解答。特别是破解了磁现象的困惑，解答了磁子（磁单极）不可观测的原因，并给出了磁子的理论值。有趣的是，W理论所发现的六维空间又分为平权对称的此六维空间和彼六维空间，二者公用三个维向，另外三个维向之间呈镜像对称。现代物理学所发现的正物质和反物质便分别存在于此六维空间和彼六维空间，彼此两个六维空间之间具有相互不可观测性，这就是说正、反两个物质世界虽相互交融但彼此之间相互不可观测。
—–这本书的作者是家父王天奇，家父因年迈特托我与您取得联系，因为无法知道您的确切地址，便把书寄到了中科院理论物理研究所，既北京中关村东路55号。有关“终极理论”的课题目前国内涉及的专家不是很多，而李老师对于“相对论、玄论和宇宙学”等领域有着长期的研究，在这方面是权威，这里就劳烦您拨庸斧正，并能给出宝贵的意见，万分感谢！
—–另，四种力、磁单极以及三代轻子的理论值我已以文档的方式发到了您的邮箱里了，未经您的同意，勿怪。
朗青
11月29日夜
13816921019
2009年12月3日 10:37:24
时间可以合理的归于空间概念，不知道质量，能量和时间，空间能不能合理的归于运动概念？很是期待
2009年12月11日 15:48:39
老哥:你是棉织厂的吗
2009年12月11日 16:12:54
我一直认为您少时古文功底就很好,好像比令弟更好,听说您近些年来格律诗写的很好,可惜没有拜读过.要下班了,祝周末愉快!
2009年12月11日 16:17:46
鑫鑫：
是啊，我死棉织厂出来的。
近年来早不写旧体诗了。
2009年12月11日 16:35:41
我们全家问你好！
2009年12月11日 17:17:20
鑫鑫：
谢谢，也问你们好！
2009年12月21日 18:40:10
李教授
您好，您说的暗能量就是恩格斯在《自然辩证法》中的：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径（指明这一途径，将是以后自然科学的课题）转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来。”放射到太空中去的热一定通过某种途径转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来”，这一认识是抓住了解决宇宙“热寂”实质。我们知道，物质时刻不停的释放热辐射，但物质本身的质量并没有减少，同时科学认为热辐射也是物质的一种形态，太空中这么多的物质释放出大量的热辐射到宇宙中，宇宙的背景温度并没有增加，永远保持在2.7k恒定不变的温度上，那么放射到宇宙中的热都去到那里了？寻找热的归宿，查明热的去向就是找到了熵的形成与衰亡，就是看到了宇宙的尽头。因为热（辐射）是不断膨胀的，最后消失在天空中，天空中的热一定是转换为一种没有膨胀，没有频率和温度的能量了。这样将热（辐射）看成是物质的一种存在形态的现代物理学认识观是错误的，应将热（辐射）定义为能量的一种，并将能量定义为不同于物质的第二个客观存在这个违背唯物主义哲学观的物理概念。有了这样的认识飞跃，我们就可以揭开宇宙的神秘面纱。
物质不停地释放能量（热辐射），那么它就应该吸收某种能转化为热的能量，这种能量应该是热辐射能量的基态能量，宇宙中的热辐射等能量最终都将转化为这种基态能量；并且，物质吸收基态能量的量与物质释放的能量转化为基态能量的量相等，这样才能保证宇宙微波背景辐射的温度永远保持在2.7K恒定不变的温度上。有了这些我们就可以描绘宇宙的面貌，知道熵的本质和宇宙是否能“热寂”。
空间的构成
一 基本假设
任何物质都不停的辐射光或热等辐射到天空中，而我们所处的空间温度并未有丝毫的上升，这些光和热都跑到那里去了。宇宙大爆炸也不可能恰到好处的把空间温度停了在2.7K不变的温度上，何况现代科学证明宇宙是加速膨胀的，这样更难维持宇宙2.7K不变的空间温度，除非有上帝的意志。下面我们给出5条基本假设来解决以上问题和构建物理理论基础。
1发射到天空中的光和热等射线转化成了宇宙微波背景辐射。
2物质释放的光和热等射线，它是物质从空间温度等于绝对零度的基态能量中吸收的能量。
3宇宙中的光，热等辐射和基态能量都是有别于物质的另一个客观存在–能量。光和热
等射线不是物质，它是能量。
4物质运动不是固有的，它是吸收真空能量–基态能量产生的。
5组成物质的最小粒子是电子和质子，其他粒子都是能量运动产生的能量粒子。
本文所指的能量是客观存在的能量，不包括物质运动携带的能量，如动能等。
二空间的构成
空间是由能量构成的，有能量存在它就占有一定的空间，有空间它就存在一定的能量，不存在没有能量的空间。空间是能量的存在形式，能量是产生空间的必然，并将空间称为能量空间。不同的能量空间代表不同的能量存在形式，不同的能量存在形式形成不同的能量空间。在一个空间中往往存在不同的能量空间，例如，在一个空间中有热辐射能量空间和光能量空间。不同的能量空间有不同的能量密度，不同的能量密度决定不同的温度。能量密度大，温度高。能量密度小，温度低。
三宇宙能量空间的组成
宇宙能量空间是由三部分组成的：
1物质释放的能量，如光和热，并将其定义为动能量，所处的空间定义为动能量空间。
2宇宙微波背景辐射能量，并将定义为静能量，所处的空间定义为静能量空间。
3真空温度等于绝对零度的能量，并将定义为基态能量，所处的空间定义为基态能量空间。
1和2是有温度的能量，还可将其定义为阳能量，其空间定义为阳能量空间。3是无温度的能量，还可将其定义为阴能量，其空间定义为阴能量空间。
四能量空间的性质
1动能量空间的性质
动能量空间的温度大于2.7K，动能量空间不管能量密度多大，温度多高，它总是趋于静能量空间的方向发展，也就是热力学第二定律方向发展。动能量空间的体积是随时间不断自由膨胀的，其能量密度不断降低，温度不断下降，波长不断被拉长，表现能量在传中伴随有红移现象。当动能量空间的体积膨胀到某一个最大值时，其能量密度等于静能量密度，温度等于2.7K时，动能量空间消失，它的能量全部转化为静能量。动能量的传播运动是体积的膨胀传播，不管它是一条光线和电磁波，或是一份能量子。能量子是物质吸收基态能量产生运动后，将其转化为动能量释放出来的一份能量。一个能量子在天空中转眼间就消失了，转化成静能量了。能量的运动是能量子不断膨胀，后面的能量子不断推动前面的能量子前进，向全空域进行的。这表明，动能量的运动有惯性，能量密度越高，能量的运动速度越快，传播距离越远。因此，光的传播距离是有限的，光速不是恒定的。即可得：热水比冷水冻得快–热水传播的速度大于冷水。动能量空间的运动是体积膨胀的运动，动能量空间是自由膨胀的，它与释放动能量的物质无关，。释放动能量的物质是把动能量放在它的背景空间中，动能量自由膨胀的。也就是说，光不是由发光体发射出去的，光是由发光体将光放进空间中光自己膨胀出去的，或是由基态能量空间介质传播出去的，这就是对”光速不变”的正确描述。”光速不变”不是速度不变，而是光速不依赖发光体。动能量空间有相互作用，例如一条光线穿过太阳边缘时会发生弯曲现象，说明太阳释放的能量膨胀，将达此经过的光线膨胀到更远些。由此看来，引力透镜也是星系能量向外膨胀形成的。动能量空间体积的自由膨胀方向是能量密度降低的方向和熵增大的方向，熵增大的实质是将集中的动能量分散化了；动能量空间体积增大熵就增大，这给出了玻尔兹曼熵增大的实质。宇宙系统是正熵流（动能量）和负熵流（基态能量）处于平衡运动态，宇宙不会热寂。动能量空间的温度是由动能量密度的大小决定的，不是由分子热运动决定的，因此，麦克斯韦妖无能力决定或阻挡动能量空间的自由膨胀。
2静能量空间的性质
静能量空间具有不变的能量密度和2.7K不变的温度，说明静能量空间的体积有限和不变。由于静能量空间和基态能量空间重叠在一个空间体积中，它们的体积就是宇宙的体积，静能量空间和基态能量空间的关系是被吸收的关系。物质释放的动能量被转化为静能量的量等于基态能量空间吸收静能量的量，物质吸收基态能量的量等于静能量转化为基态能量的量，阴阳能量之间的转化是动态平衡的。宇宙中物质的总量是一个不变的量，阳能量都存在膨胀，所以宇宙被膨胀成球形。宇宙是球形会使到达宇宙边缘的光线弯曲，好像宇宙边缘有一面镜子。
3基态能量空间的性质
物质吸收基态能量空间的能量使基态能量空间收缩，产生引力。基态能量具有物质不可屏蔽性，充满物质各个结构中。基态能量空间还充当动能量的传播介质。基态能量是一切能量的基态，所有的能量都是从基态能量转化的。基态能量是温度为零，没有频率能量。温度等于绝对零度的基态能量不是温度等于绝对零度的零点能量，基态能量是能量的基态存在形式，零点能量是物质中残余的能量。系统中趋于绝对零度时，物质结构中还有没有释放出来的能量，例如，固体的比热，这个能量就是零度能量。
五宇宙的运动规律
宇宙是物质和能量组成的，进一步说，宇宙是由电子，质子和能量组成的。借助《易经》中的阴阳图能更形象的说明宇宙的构成和运动。阴阳图是圆的，宇宙是球形的。如果将阳鱼代表阳能量，鱼眼代表电子；阴鱼代表阴能量，鱼眼代表质子。可得出：阴阳能量相互转化，电子和质子即结合又分离。阴中有阳，阳中有阴才能产生运动，阴阳互动才能生生不息，才有生命力。道生一，一生二，二生三，三生无穷。一是宇宙，二是物质和能量，三是电子，质子和能量，无穷是自然。
请李教授指教，相关文章在http://club.xilu.com/lix258
2010年2月17日 20:51:43
李老师：
我有一点不明白。
两块平行导电板之间的Casmir力是由零点能密度的不同导致的，就是说没有导电板的情况下真空的零点能密度更高。从而Casmir力相当于平行板外侧的真空对平行板产生一个推力，体现为两块板的引力。
同样的，用真空能来解释宇宙膨胀，我们是否需要假设宇宙外还存在着某种真空，并且该真空的零点能密度比宇宙内的零点能密度低从而膨胀？
本身讨论宇宙外是否有其他东西就类似一个伪命题。。。这让我有点不安。
此外，metamaterial不是关于电磁波的么？怎么通过它观测暗能量？我相信通过它可以模拟宇宙膨胀，但是观测是两回事吧。
2010年2月17日 22:38:34
曼奇：
宇宙膨胀的原因还是不一样，metameterials中的Casimir能量虽然是正的，但体现出来的还是引力（因为正比于材料的尺度），但引力会引起加速膨胀。
Metameterials里的Casimir能量是电磁的，在宇宙中，只是暗能量的一部分。
2010年2月22日 15:58:52
结合爱因斯坦相对论中的质能关系，能量同样产生引力—
此观点显而易见是错误的！能量的形式多种多样，比如说核能或核辐射能量能产生引力效应吗？爱因斯坦在他试图所发展的统一场方程中，尝试引入带电的项的符号，而产生电微粒的不带奇点的桥来表示或统一证明引力与电方程式之间的逻辑关系，最简单的布局就是，假设带电粒子没有或不具引力质量—从中李老师难道没看出，爱因斯坦当时已觉察到了并有了，在原子或量子尺度粒子的引力质量可以予以抛弃的念头！可能由于爱因斯坦意识到提出或建立这种引力的电磁结构图景，还不到时候！因为其不能解释引力的各向同性，与电磁力客观极性存在的差异所在—
而任何理论物理学家都不能绕过，引力的各向同性，与电磁力客观极性存在的融合问题？