以上三個選項都包含一個共同的要素——負(fù)壓力。在宇宙中,物質(zhì)所施加的壓力會增加引力的制動能力,而負(fù)壓力則會削弱引力的這種效果。

在廣義相對論中,所有能量都會和引力發(fā)生耦合——無論是高溫氣體的動能(氣體的壓力)還是輻射的光壓。這些壓力會輔助氣體和光的引力自吸引作用。引力的強度依賴于氣體和光的質(zhì)量和壓力。因此,一個由正壓力物質(zhì)填充的宇宙,其發(fā)生膨脹的難度會比沒有壓力的宇宙大一些。

壓力可正可負(fù),也可以為零。氣體和光的壓力都是正的,但是理論上我們完全可以引入具有負(fù)壓的成分。在愛因斯坦方程中,負(fù)壓力會削弱引力的強度——它會引起一定程度的引力排斥效果,并削弱宇宙流體的引力自吸引作用。如果負(fù)壓力足夠大,這種成分的存在會完全克服物質(zhì)的引力吸引作用,從而使宇宙加速膨脹。

常規(guī)物質(zhì)和暗物質(zhì)所產(chǎn)生的壓力是零。假如一個空間中僅僅彌散著基本靜止的物質(zhì)粒子,其能量密度全部來自這些粒子的質(zhì)能,那么粒子間的引力吸引作用就會阻礙宇宙的膨脹。在這樣一個假想模型中,宇宙的膨脹必然要克服引力做功,從而使膨脹減速。

由光子和快速運動(相對論性)的物質(zhì)粒子組成的輻射則會產(chǎn)生正壓。壓力的大小和其能量密度密切相關(guān)——輻射能量密度越小,產(chǎn)生的正壓也越小。因此,隨著宇宙的膨脹和密度的降低,輻射正壓會逐漸減小,其對宇宙膨脹的推動作用也會變小。從這一方面來看,具有正壓的輻射對宇宙膨脹的減速效果更加明顯。

和上述兩種類型的物質(zhì)和能量不同,暗能量會產(chǎn)生負(fù)壓力。負(fù)壓力將阻礙引力的自我吸引作用,并推動宇宙向外擴張——它的數(shù)值越大,效果就越明顯。

愛因斯坦方程和能量守恒定律詳細(xì)界定了宇宙加速膨脹的必要條件。將總壓力(無論正負(fù))乘以3,再加上總能量密度,所得的數(shù)值如果為正,引力的吸引作用將占據(jù)主導(dǎo)地位,并使宇宙膨脹減速;而如果結(jié)果為負(fù),則負(fù)壓力的擴張作用將起決定性作用,從而使宇宙膨脹加速。