愛因斯坦雖然是上世紀初物理學兩大革命的重要帶頭人，但他的物理觀念卻基本上是經典的。他對光電效應的解釋，促成建立了量子理論，但他對量子理論一直心存芥蒂，不願認同。愛因斯坦與波爾之間著名的“世紀之爭”，以及他提出的質疑量子理論的EPR佯謬，影響一直延續至今。
廣義相對論被愛因斯坦認為是他的最得意之作，其中他將引力與時空幾何性質相聯繫，建立了著名的愛因斯坦引力場方程，但他對該方程解出的結果卻屢屢懷疑，遲遲不肯承認。例如，史瓦西找到了方程的球對稱解析解，引出了後來的黑洞概念。雖然那時候還沒有黑洞這個名詞，但愛因斯坦從不相信會有這樣的怪物存在。又如，弗裡德曼導出的方程為宇宙演化模型（大爆炸）建立了堅實的理論基礎，愛因斯坦開始也一度懷疑弗裡德曼算錯了。
威廉·德西特。圖片來自網絡
除了史瓦西和弗裡德曼之外，得到引力場方程精確解的重要人物中，還有一個叫做威廉·德西特（Willem de Sitter，1872年－1934年）的荷蘭天體物理學家。他解出的德西特時空與宇宙常數有關。
德西特可謂暗物質和暗能量研究的理論先驅，儘管在他有生之年從未聽過這兩個名詞。他曾經與愛因斯坦共同發表有關宇宙中存在“看不見的”物質的論文；他從引力場方程得到的德西特時空則是目前公認的解釋暗能量的最佳候選者。
宇宙學常數L是個怪物，當初愛因斯坦引進它只是為了使他的方程的解維持一個穩定靜止的（牛頓力學式的）宇宙圖像，那是當時科學家們所公認的。我們知道，愛因斯坦方程（圖4-3-1）最直觀的物理意義是“物質決定時空幾何”：方程的右邊代表物質，左邊代表幾何。如圖4-3-1所示，愛因斯坦最開始時將含有宇宙學常數L的一項放在方程左邊，僅僅將它當作一種數學方法，以消除時空的不穩定因素而企圖保持時空穩定。
圖4-3-1：引力場方程（愛因斯坦方程）
當年的德西特教授反應很快，立刻就為包含宇宙常數的引力場方程找到了一個精確解。不過，這個解令愛因斯坦目瞪口呆，因為該解適合的條件是時空中什麼也沒有，這個解是令方程右邊的能量動量張量完全為零，僅僅保留左邊的宇宙常數L相關項而得到的。換言之，德西特的解似乎說明，沒有物質，卻產生了時空彎曲的幾何。這顯然沒有物理意義。
於是人們認為，宇宙常數項應該放到方程的右邊，作為某種類似於物質或能量的貢獻。目前物理界認同的說法是：它產生於真空漲落，是屬於方程右邊代表“物質”的能量動量張量的一部分。實際上，愛因斯坦方程中的能量動量張量除了通常意義下的有靜止質量的物質之外，本來就應該包括所有的能量在內，根據量子場論的理論，真空不空，具有能量，是物質存在的一種狀態，宇宙學常數便與此能量有關，被稱之為暗能量。
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有趣而古怪的宇宙學常數多次困惑愛因斯坦，也曾經給宇宙學家們帶來反覆多變的疑難。場方程中的這一項似乎可有可無，開始時，物理學家們和愛因斯坦一樣，根據天文觀測的實際數據來調整它的正負號，決定對它的取捨。比如，在1998年以前，人們認為宇宙是在減速膨脹，不需要宇宙常數這一項，便將它的值設為0。但大家又總是心存疑問，所以，那時候的“宇宙常數問題”是為什麼宇宙常數是零？1998年的觀測事實證明了宇宙是在加速膨脹，這下好了，宇宙常數不應該是零了！物理學家們將它請回來，用以解釋宇宙為什麼加速膨脹。但是，問題又來了：這個宇宙常數到底是個什麼東西？它為什麼不是零？
雖然物理學家們暫時將宇宙常數解釋為真空能量，但怎樣計算真空能量密度卻是物理學中尚未解決的一個大問題。如果把真空能量當作是所有已知量子場貢獻的零點能的總和的話，這樣得出來的結果比天文觀測得到的宇宙常數值大了120個數量級！並且，觀測得到的宇宙常數值與現在的物質能量密度有相同的數量級，使人感覺更可信。但從理論上而言，真空能應該如何計算呢？這是又一個宇宙學常數相關的疑難問題。
總而言之，宇宙學家們對宇宙常數頗有興趣，其原因是因為它代表的是一種“排斥”類型的引力。我們知道，電磁作用中的電荷有正有負，因而電磁力既有吸引作用也有排斥作用。但由普通物質的質量產生的引力卻只有吸引絕不排斥。沒有宇宙常數的參與，人們無法解釋宇宙的加速膨脹。讀者可能還記得，在第八章討論弗裡德曼的宇宙模型時，影響宇宙尺度變化的4種物質密度中（公式8-1），只有與宇宙常數相關的那一項才能產生指數式的加速膨脹，其他密度的貢獻都只能使宇宙減速膨脹。加速膨脹的效應只可能由具有“負壓強”的真空能量產生。
所以，宇宙常數變成了“暗能量”的同義詞，但我們對暗能量知之甚少，當下的宇宙常數疑難也就是暗能量疑難。
根據普朗克衛星提供的數據，暗能量在宇宙的物質成分中佔了百分之七十左右，暗物質有百分之二十六左右，留下的百分之四才是我們熟知的普通物質。天文學家是如何得到這些數值比例的？
普朗克衛星。圖片來自網絡
這確實是一個有意思的問題。想想平時是如何得到各種物質材料質量之比的，我們使用的是天平或者“秤”。可是，普朗克衛星又不能把天體拿到“秤”上去稱，它報告的物質比例從何而來呢？
在天文學中估算天體質量時，人們利用的是在引力理論基礎上建立的各種數學模型，無論是行星、恆星、星系，以及各種天文現象，都有其相應的數學模型。這些模型，便是“稱量”宇宙的秤。數學模型中有許多未知的參數，需要由天文觀測的數據來決定。普朗克衛星主要是通過測量微波背景輻射中的細微部分來獲得這些參數，然後，研究人員將這些數據送入計算機，解出數學模型，最後得到各種成分之比例。
這是一個相當複雜的過程，包括了很多物理理論、數學知識、計算技術、工程設計等等方面的知識。就物理概念的大框架來說，科學家們大概用如下方法估計這個比例。
根據觀測星系中恆星旋轉速度與理論計算之差距，以及以引力透鏡的效果，可以計算星系中暗物質相對於正常物質的比值。天文學家早有方法計算宇宙中“明”物質的總質量。然後，從“明暗”物質的比例便能算出宇宙中暗物質的總質量。
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從宇宙學的角度，天文學家有兩種方法估計“宇宙的總質量”。一是從宇宙膨脹的速度和加速度，二是根據宇宙的整體彎曲情況。
宇宙學研究宇宙的大尺度結構和形態，用來估算宇宙作為一個整體的曲率和形狀：宇宙是開的，還是閉的？是像球面、馬鞍面、還是平面？這個整體模型涉及到一個“臨界質量”。如果宇宙的總質量大於臨界質量，比較大的引力效應使得宇宙的整體形狀成為球面；如果宇宙的總質量小於臨界質量，引力效應更弱一些，宇宙的整體形狀是馬鞍面；如果宇宙的總質量等於臨界質量，則對應於整體平坦的宇宙。
根據宇宙學得到的天文觀測資料，宇宙在大尺度範圍內是平坦的，說明宇宙的總質量大約等於臨界質量。
但是，從宇宙加速膨脹得到的宇宙總質量，或者考慮平坦宇宙應該具有的臨界質量，都大大超過觀測所估計的“明暗物質”之總和。物理學家提出的“暗能量”，便可以解釋這個宇宙組成中所缺失的大部分。如此便算出了剛才所說的各種物質的比例。
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暗能量像是存在於宇宙中的一種均勻的背景，在宇宙的大範圍中起斥力作用，加速宇宙的膨脹，但是，在嚴格意義上，又不能將它說成是一種通常意義下的斥“力”，因此，只能稱其為能量。而在現在的物理理論中，也不見具有如此秉性的“能量”，因而稱其為“暗能量”。
人們容易將暗物質和暗能量混淆。並且，根據愛因斯坦的質能關係式：E=mc2，質量和能量可以看作是物質同一屬性的兩個方面，那麼，為什麼還要將兩種暗貨區別開來呢？其中原因很難說清，基本上還是因為我們尚未明白它們到底是什麼？
因為暗物質和暗能量兩個概念在本質上有所區別，因此在宇宙中的具體表現也大不相同。暗物質吸引，暗能量排斥。暗物質的引力作用與一般普通物質之間的引力一樣，使得它們彼此向內拉，而暗能量卻推動天體互相向外分離。暗物質的影響表現於個別星系，而暗能量僅僅在整個宇宙尺度起作用。
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可以用一句話如此總結宇宙不同成分的作用：宇宙由明物質和暗物質組成，因暗能量而彼此分開。暗質量增加宇宙中的質量，使得天體互相拉近。而暗能量將宇宙尺寸擴張，使得其間的天體互相分離。在宇宙演化的138億年中，這兩種作用不停地進行“拉鋸戰”。
儘管我們還不知道暗物質究竟由什麼構成，也不清楚暗能量的作用機制，但通過天文觀測的結果，對它們已經有所認識。比如說，天文學家們可以模擬暗物質的引力效應，研究它們如何影響普通物質，一般來說，暗物質的運動速度大大小於光速。構成暗物質的粒子應該是電中性的，也許具有很大的質量。
（摘自《永恆的誘惑：宇宙之謎》，作者：張天蓉）