物理学家知道，一切自然现象——以及大部分先进技术，如手机和全球定位卫星——都可以用两种物理学原理——量子力学和相对论——来给予解释。最初我们看不出这两种原理之间的联系，但现在通过强有力的和令人惊讶的方式已经证明，事实确实如此。在20世纪20年代后期，保罗·狄拉克和其他一些人发展了量子场的概念，它显示了如何将爱因斯坦的狭义相对论与量子力学结合起来来解释自然界中4种基本力中的3种——电磁力、弱作用力和强作用力。

尽管有这样的成功，但量子力学与爱因斯坦广义相对论（描述第4种基本力——引力）的统一则尚未解决。学物理的学生一旦对广义相对论和量子力学的深远影响和魔力变得信心满满，他们就不禁会想象两者之间存在深刻联系。一些雄心勃勃的学生甚至可能决定将试图统一所有4种力作为自己的职业生涯。但是在本文里，我将说明——不谈美学——物理学界之所以被迫寻求统一是因为存在一种称为暗能量的看不见的奇异能量形式，它对广义相对论和量子力学均有深远影响。

今天的物理学状况非常像它在20世纪之交量子论和相对论曙光微露之前的情形。当时许多著名的物理学家认为，实验的目的只是彻底扫清细节，他们确信，掌管宇宙的物理学定律总的来说已经明了。美国第一个诺贝尔物理学奖得主阿尔伯特·迈克耳孙在1894年就明显持这种态度，他说：“看来很可能宏大的（物理科学）基本原理已经牢固确立。”巧的是，还就得发明出量子力学和广义相对论才能解释这些“不起眼”的实验细节。面对暗能量问题的挑战，当今的物理学家应吸取历史教训，避免类似的假设。

迄今最为精确的物理理论当属量子电动力学（QED）。理查德·费恩曼的量子场论QED形式体系是量子力学和爱因斯坦狭义相对论的完美结合。量子电动力学方程可以给出由电子的量子自旋产生的细微的磁场值，它与实验测得的值之间的误差小到小数点后面9个零以后（相当于纽约和洛杉矶之间的距离测量精确到一根头发丝的粗细）。但其母理论——量子场论（QFT），它将空间尺度小到万亿分之一厘米，大到复杂分子行为的（除引力之外）所有的物理学统一起来——则要求存在这样一种能量形式——暗能量，并且所做的预言与观察的偏差将小于小数点后面120个0之后！

暗能量本身是无法直接观察到的，它是已知的最令人困惑的物质形式——是唯一一种其作用范围小到亚原子尺度，大到宇宙中最大距离的“东西”。我们在原子核深处和遥远的恒星运动中都发现了它活动的证据。它的普适性超越了包括爱因斯坦在内的伟大头脑的想象力。因为它如此难以捉摸，故暗能量还有各式各样的别称，其中包括宇宙学常数和真空能（我会交替使用这些名称）。本文将展示存在于我们的宇宙中的最小尺度和最大尺度之间的惊人联系。

我希望你能将充满宇宙的虚空空间想象成海洋。我们知道，海面上的小波浪会发展成海啸。暗能量就是一种在空间结构上具有波浪特性的物质形式。在亚原子尺度上，这些暗能量波表现为量子现象，这一点我稍后再作讨论。我们先来描述在广袤的空间上，或者说在宇宙尺度上，在爱因斯坦的广义相对论里，暗能量是如何展现的。