以上三个选项都包含一个共同的要素——负压力。在宇宙中,物质所施加的压力会增加引力的制动能力,而负压力则会削弱引力的这种效果。
在广义相对论中,所有能量都会和引力发生耦合——无论是高温气体的动能(气体的压力)还是辐射的光压。这些压力会辅助气体和光的引力自吸引作用。引力的强度依赖于气体和光的质量和压力。因此,一个由正压力物质填充的宇宙,其发生膨胀的难度会比没有压力的宇宙大一些。
压力可正可负,也可以为零。气体和光的压力都是正的,但是理论上我们完全可以引入具有负压的成分。在爱因斯坦方程中,负压力会削弱引力的强度——它会引起一定程度的引力排斥效果,并削弱宇宙流体的引力自吸引作用。如果负压力足够大,这种成分的存在会完全克服物质的引力吸引作用,从而使宇宙加速膨胀。
常规物质和暗物质所产生的压力是零。假如一个空间中仅仅弥散着基本静止的物质粒子,其能量密度全部来自这些粒子的质能,那么粒子间的引力吸引作用就会阻碍宇宙的膨胀。在这样一个假想模型中,宇宙的膨胀必然要克服引力做功,从而使膨胀减速。
由光子和快速运动(相对论性)的物质粒子组成的辐射则会产生正压。压力的大小和其能量密度密切相关——辐射能量密度越小,产生的正压也越小。因此,随着宇宙的膨胀和密度的降低,辐射正压会逐渐减小,其对宇宙膨胀的推动作用也会变小。从这一方面来看,具有正压的辐射对宇宙膨胀的减速效果更加明显。
和上述两种类型的物质和能量不同,暗能量会产生负压力。负压力将阻碍引力的自我吸引作用,并推动宇宙向外扩张——它的数值越大,效果就越明显。
爱因斯坦方程和能量守恒定律详细界定了宇宙加速膨胀的必要条件。将总压力(无论正负)乘以3,再加上总能量密度,所得的数值如果为正,引力的吸引作用将占据主导地位,并使宇宙膨胀减速;而如果结果为负,则负压力的扩张作用将起决定性作用,从而使宇宙膨胀加速。
