第一类是物质,它包括常规物质和暗物质等任何具有正常引力相互作用的物质。身为物质,它们不能以接近光速的速度运动——其大部分能量必须是以自身质量的形式存在,而不是以运动的方式。
第二类是以辐射形式存在的能量。这包括任何波长的光,以及高速运动的粒子——这些粒子的质量相比于其运动能量可以忽略不计,因此被排除在物质种类之外。这种粒子的行为更像是辐射能量而不是物质。
最后一类是暗能量。宇宙常数应该属于这一类,另外还包括其他不会因宇宙膨胀而变稀疏的成分。
这三种基本类型——物质、辐射和暗能量——对宇宙膨胀过程有各自不同的影响。虽然我们还不了解宇宙开始膨胀的原因,但爱因斯坦方程却能明确地告诉我们,宇宙将如何在其内部成分的作用下进行膨胀。这三类中的前两类——物质和辐射——都会引起时空的弯曲和收缩,从而为宇宙膨胀减速。尽管其中辐射由于自身压力的作用,能更有效地阻止宇宙膨胀,但二者的基本机制是相同的。宇宙中所有的物质和辐射都会对其他物质和辐射产生引力吸引作用。虽然随着宇宙的膨胀,物质间的距离会不断增加,但引力却想把这些物质拉得更近。其综合的效果就是为空间的膨胀减速。
第三类暗能量却是非常古怪的。它不但不会减缓宇宙的膨胀,反而会提供一个额外的动力为膨胀加速。在爱因斯坦方程中,唯一可以产生这样一种时空拉伸效果的物理量,就是某种负压力。我们在日常生活中经常会遇到负压力的情况。例如,为了让水克服重力可以从树根流到树枝的顶端,树的循环系统必须创造出一种负压力。然而,构造出具有负压力的宇宙成分却并不容易——宇宙中物质的压力基本为零,而辐射则具有正压力,因此无论暗能量是什么,它必须从本质上区别于任何已知的事物。
在一个只有物质存在的宇宙中,物质的数量将决定宇宙最终的命运。如果物质密度低于一个临界数值,宇宙将永远膨胀,尽管其膨胀速度会受到物质的影响而放慢,但绝不会减小到零。而如果物质密度高于这个临界值,则会导致一个疯狂的结果——物质自身的引力吸引作用将使膨胀逐渐停止。时空将停止拉伸,随后开始加速收缩,直到走向大爆炸的反面——大挤压(Big Crunch)。
