第二个弗里德曼方程暗能量为何表现出负压

　　在昨天的文章中，我们讲到了弗里德曼的第一个方程，并且有了一些非常棒的见解。我们这样一个低密度的宇宙在几何上应该是一个负弯曲的超平面，然而矛盾的是，我们的测量结果显示出宇宙近乎完美的平坦度。这只有在我们错过了某种类型的能量遍及整个空间时才有可能，现在我们称这种能量为暗能量。
　　这种暗能量由广义相对论中的宇宙常数来描述，它既使宇宙变平又导致宇宙加速膨胀。了解暗能量可能的理论形式，将解开它的许多谜团。今天，我们将讨论暗能量的最简单解释，其中宇宙常数确实是恒定的，它不会随着时间而改变。一个恒定的宇宙常数代表了一个非零的空间能量，你拥有的空间越大，暗能量就越多。 方程解释
　　弗里德曼的第一个方程告诉我们暗能量会产生宇宙大小的变化，但要了解为什么暗能量会向外推动并使宇宙加速膨胀，我们需要第二个弗里德曼方程，它的反引力效应就出现在其中。
　　第一个弗里德曼方程是关于宇宙膨胀（或缩小，下文省略）速度的，而第二个方程是关于宇宙膨胀加速度的，它描述了推动膨胀的力。再次如下图所示，a是比例因子，有点像宇宙的大小。而a上面两点，表示a对时间的两次求导，可以看成是宇宙膨胀的加速度。
　　在等式右边，宇宙膨胀的加速度取决于物质的密度ρ和压力（严格来说叫压强）p。密度ρ我们比较好理解，物质越多引力就越容易把宇宙往回拉，那么这个压力p是什么作用？这是由于快速移动的粒子和辐射造成的压力。让我们想象一个加压罐，当快速移动的粒子与罐子的内壁碰撞时，内部气体的压力会产生向外推动的效果。但是，压力产生推动效果的条件是各个区域的压力不一致，然而宇宙在大尺度上的压力在各个地方都是相同的。因此，等式右边的负号使膨胀的加速度为负，方程预测宇宙膨胀正在减慢，这与实验观测不符。 宇宙常数
　　事实上，当我们向第二个弗里德曼方程添加宇宙常数的时候，问题就得到了解决。宇宙常数被设计成与常规物质相反的方向工作，宇宙常数项前的加号可以和前面的负号相抵消。这就是反引力在数学上的样子，这不仅仅是数学技巧，暗能量是真实的物理性质。
　　宇宙常数的影响是暗能量自身密度和压力的综合影响，所以我们可以对方程进行处理，将宇宙常数项并入前面的项。
　　为了更清楚地了解暗能量的机理，让我们进行假设。在我们遥远未来的宇宙中，常规物质将被稀释到几乎无影响，能对宇宙膨胀产生影响的只有暗能量，因此方程简化为下图。此时暗能量的能量密度ρʌ和常规物质一样是正的，因为暗能量有助于常规物质使宇宙的形状变平。这样一来，为了使方程得到加速膨胀的结果，暗能量的压力p必须是负压力。这就是暗能量反引力效应的来源——负压。
　　负压
　　负压到底意味着什么？正压向外推，就像我们在加压罐看到的一样。所以负压向内拉，就像罐内壁所做的那样。那么，我们又有了新的矛盾，暗能量向内的拉力怎么会产生向外扩张。事实上，暗能量负压并没有直接的影响效果，因为负压在宇宙中无处不在并且都相同，同样不会产生向内的压力。
　　负压来自于暗能量的密度是恒定的这一事实。假设我们持有一个恒定能量密度的宇宙体积，如果我们把它扩大，那么它里面的能量也会跟着扩大。但是这增加的能量需要我们来提供，所以它的体积膨胀做的是负功，我们称它具有负压。这也就意味着，负压在膨胀时获得能量。