自从爱德文·哈勃测量了遥远星系的距离和红移之后，我们就知道，宇宙在膨胀。很多年来，许多人认为“宇宙是否会永远膨胀”这个问题归根结底问的是“宇宙中有多少物质和能量”。关于这个问题，有三种情况可以探讨：封闭式情况、开放式情况和平坦式情况。在封闭式情况里，宇宙实在太重，它终有一天会因为自身的重量坍缩成一个点——非常像颠倒过来的大爆炸；在开放式情况里，宇宙实在太轻，所以它会永远扩张，但速度会越来越慢，它的成长将突破一切边界；平坦式情况更像是前面两者的临界情况：宇宙的总质量不多也不少，那它就会无限期地膨胀，只不过速度较慢，可能永远也到不了某个点。情况的名称“封闭式”“开放式”“平坦式”来自宇宙在每种情况中的几何结构：这些结构分别是正向弯曲、反向弯曲和完全不弯曲的。
黑暗中的标准烛光
物理学家提出宇宙有可能属于这三种情况，那是因为它们是广义相对论方程式的三种解。如果你假设宇宙中只有空间、时间和物质（包括暗物质），那确实如此。但是人们这种关于宇宙命运的观点改变了，因为1998年，一些观测结果得到了发表，内容是关于超新星爆发，尤其是Ia型超新星爆发的信号。
天文学家特别欢迎这些特殊的恒星爆发！（这里指的是地球上的天文学家。住在Ia型超新星附近的天文学家恐怕不会为这事儿开心。）在宇宙历史的大部分时间里，到处都有这种现象。因为爆炸产生的闪光以光速在膨胀的宇宙中传播，我们可以非常轻松地计算出爆炸后宇宙膨胀的空间有多少。又因为Ia型超新星总是以一个特定的亮度闪光，所以通过比较它和实际抵达地球的光的总量，我们可以猜到这颗超新星现在距离我们有多远。
这些数据是多年来从许多超新星爆发中收集到的——它们离地球越远，爆炸发生的时间就越久远；它们描绘出了一幅过去几十亿年间宇宙演化的详图。
通过这些研究，天文学家发现了关于宇宙的一件非常令人震惊的事。宇宙不只是在膨胀，而且膨胀得比以往都要快。他们的发现和当时物理学家相信的那三种可能性不同，宇宙的膨胀实际上在加速！
宇宙的形状是什么样的？它是封闭的、开放的还是平坦的？这么说吧，20世纪末，这个问题就有了一个精确到一定程度的答案：通过仔细观察宇宙微波背景的波纹的分布情况，物理学家能以极高的精确度证明，宇宙是平坦的。
宇宙是平坦的，而且膨胀得越来越快！
当然了，这个结论与最初的三种可能性并不一致。在那三种情况中，平坦的宇宙意味着宇宙的膨胀会越来越慢，最后膨胀到它的最大规模。可这里有个更大的问题：宇宙要是平坦的，它得足够重（更确切地说：它得起码具有一定密度，即临界密度）。可是如果我们环视四周，数数恒星、星系、星云、宇宙尘、光子等等，这些物质和辐射远远无法让宇宙达到临界密度。我们得到的密度仅有能让宇宙保持平坦的最低密度的4.9%。只有这点东西在，宇宙应该是开放的才对。可它显然不是，因为宇宙微波背景的测量显示如此。
接下来这句话你可能听着耳熟：是不是宇宙中有一种物质，虽然我们看不见，但我们知道因为某些原因它一定存在？没错，我说的就是所谓的暗物质。这种物质能不能补上宇宙密度的缺口？事实证明，宇宙中的暗物质比普通物质还要多。但是暗物质和普通物质加起来，也只能达到宇宙临界密度的31.7%。还有，不管这额外的密度是什么，它都得分布在整个宇宙中——不然我们一定会在引力透镜中注意到它的。因此，和喜欢聚在普通物质四周的暗物质不同，这种缺失的事物得到处都是才行，而且还得分布得非常均匀。就算在星系之间广袤的虚空中，几乎什么都没有的那些空间里，这种事物也一定存在。
实际上，在爱因斯坦的广义相对论方程中，能量也能让空间和时间弯曲。如果宇宙被某一种能量填满，那一定会有足够的能量密度让它保持平坦，而不是让它呈反向弯曲。这种缺少的能量被称为暗能量，类似于暗物质——但它比暗物质要神秘得多。
好像暗物质还不够证明我们的无知似的！
有一个非常好的方法可以解释暗能量，它不仅回答了“为什么宇宙是平坦的”这个问题，还能告诉我们为什么宇宙在加速膨胀。你只需要在爱因斯坦的方程式中再加一项就行了，这一项就是“宇宙常数”。它可以代表一种使得宇宙膨胀的能量。爱因斯坦意识到，按照他原来的那组方程，静态的宇宙会坍缩。因为他希望宇宙是永恒的，所以他本来增加了宇宙常数，希望能以此抵消宇宙膨胀。后来，他发现宇宙其实并非是静态的，而是在膨胀，于是他取消了附加的那一项，称它为他“最大的失误”。
可是你猜怎么着？要想解释暗能量，恰恰要在方程式中加上“宇宙常数”这么一项。暗能量表现得像是一种能量，因为它能让空间和时间适当地弯曲。它也有负压力，因此它能让宇宙越来越迅速地膨胀！因为这是一个常数项，所以它在哪儿都是一样的——这也解释了为什么它能均匀地分布在整个可见的宇宙中。实际上，在写这本书的时候，人们研究出了一个在观测误差范围内符合所有宇宙学测量值的模型，这个模型就是ΛCDM模型[1]。它得名于此，是因为其中包含了用希腊字母Λ代表的一个宇宙常数，还包括了“冷暗物质”。它也被称为“宇宙标准模型”，因为它完美契合我们目前的观测结果。
爱因斯坦的最大失误——作为暗能量复活
故事讲到这儿其实可以完结了——暗能量只是方程式中的一个宇宙常数项。但这个解释还有一些审美上的问题。物理学有一些更具推测性的分支，如弦理论，它们通常预测有一个值约为1（采用自然单位）的宇宙常数。不过，为了与观测结果相符，我们需要在ΛCDM模型中采用的值是10-120。这个值展开就是一个0，一个小数点，后面再跟着119个零，最后是一个1！这是一个在天文学上小得不得了的数字，在有些物理学家看来简直荒唐。为什么自然界会有值这么小的常数呢？事实上，人们为了解释这个问题也做出过其他尝试，比如说假设宇宙中充斥着奇特的物质场。严格来说，这种物质场和一个小小的宇宙常数产生的效果非常类似。但是有些人觉得，如果宇宙中存在另外一种（未知的）物质，从而解释了宇宙为什么是平坦的，并且会膨胀得越来越快，他们感觉上会好一些。
眼下我们唯一确定的事是，宇宙常数可以解释宇宙学中许多“怎么样”的问题，却没法子解释太多“为什么”。至于这是否是一个合理的问题，或者我们是否永远都无法从物理学中找到一个满意的答案，这完全是另外一回事了。
[1]2003年， WMAP（威尔金森微波各向异性探测器）研究组确定了ΛCDM模型和它的组分。
