物理學家知道，一切自然現象——以及大部分先進技術，如手機和全球定位衛星——都可以用兩種物理學原理——量子力學和相對論——來給予解釋。最初我們看不出這兩種原理之間的聯系，但現在通過強有力的和令人驚訝的方式已經證明，事實確實如此。在20世紀20年代后期，保羅·狄拉克和其他一些人發展了量子場的概念，它顯示了如何將愛因斯坦的狹義相對論與量子力學結合起來來解釋自然界中4種基本力中的3種——電磁力、弱作用力和強作用力。

盡管有這樣的成功，但量子力學與愛因斯坦廣義相對論（描述第4種基本力——引力）的統一則尚未解決。學物理的學生一旦對廣義相對論和量子力學的深遠影響和魔力變得信心滿滿，他們就不禁會想象兩者之間存在深刻聯系。一些雄心勃勃的學生甚至可能決定將試圖統一所有4種力作為自己的職業生涯。但是在本文里，我將說明——不談美學——物理學界之所以被迫尋求統一是因為存在一種稱為暗能量的看不見的奇異能量形式，它對廣義相對論和量子力學均有深遠影響。

今天的物理學狀況非常像它在20世紀之交量子論和相對論曙光微露之前的情形。當時許多著名的物理學家認為，實驗的目的只是徹底掃清細節，他們確信，掌管宇宙的物理學定律總的來說已經明了。美國第一個諾貝爾物理學獎得主阿爾伯特·邁克耳孫在1894年就明顯持這種態度，他說：“看來很可能宏大的（物理科學）基本原理已經牢固確立。”巧的是，還就得發明出量子力學和廣義相對論才能解釋這些“不起眼”的實驗細節。面對暗能量問題的挑戰，當今的物理學家應吸取歷史教訓，避免類似的假設。

迄今最為精確的物理理論當屬量子電動力學（QED）。理查德·費恩曼的量子場論QED形式體系是量子力學和愛因斯坦狹義相對論的完美結合。量子電動力學方程可以給出由電子的量子自旋產生的細微的磁場值，它與實驗測得的值之間的誤差小到小數點后面9個零以后（相當于紐約和洛杉磯之間的距離測量精確到一根頭發絲的粗細）。但其母理論——量子場論（QFT），它將空間尺度小到萬億分之一厘米，大到復雜分子行為的（除引力之外）所有的物理學統一起來——則要求存在這樣一種能量形式——暗能量，并且所做的預言與觀察的偏差將小于小數點后面120個0之后！

暗能量本身是無法直接觀察到的，它是已知的最令人困惑的物質形式——是唯一一種其作用范圍小到亞原子尺度，大到宇宙中最大距離的“東西”。我們在原子核深處和遙遠的恒星運動中都發現了它活動的證據。它的普適性超越了包括愛因斯坦在內的偉大頭腦的想象力。因為它如此難以捉摸，故暗能量還有各式各樣的別稱，其中包括宇宙學常數和真空能（我會交替使用這些名稱）。本文將展示存在于我們的宇宙中的最小尺度和最大尺度之間的驚人聯系。

我希望你能將充滿宇宙的虛空空間想象成海洋。我們知道，海面上的小波浪會發展成海嘯。暗能量就是一種在空間結構上具有波浪特性的物質形式。在亞原子尺度上，這些暗能量波表現為量子現象，這一點我稍后再作討論。我們先來描述在廣袤的空間上，或者說在宇宙尺度上，在愛因斯坦的廣義相對論里，暗能量是如何展現的。