暗能量：加速宇宙膨胀的神秘力量

暗能量：宇宙中最神秘的力量

暗能量如同不断扩张的宇宙之网，以加速的速率将星系彼此推离，挑战着万有引力的普遍作用。图片来源：astronoo.com

暗能量是什么，这种加速宇宙的神秘力量？

暗能量是一种未知的排斥力，约占宇宙总含量的68.3%，并导致宇宙膨胀加速，于1998年通过超新星观测被发现。它不可见，在大尺度上对抗引力，在标准ΛCDM模型中由宇宙学常数Λ表示。其确切性质（恒定、动态场或引力修正）仍是现代宇宙学最大的谜团。

一项颠覆宇宙学的发现

20世纪末，宇宙学家认为，由大爆炸引发的宇宙膨胀应因引力作用而逐渐减速。由索尔·珀尔马特（1959年生）与布莱恩·施密特（1967年生）、亚当·里斯（1969年生）分别领导的两个研究团队，在1998年取得惊人发现。通过观测Ia型超新星，他们发现这些爆炸发出的光芒比预期更暗。这种黯淡意味着它们比减速膨胀模型预测的距离更远。结论具有革命性：宇宙膨胀并未减速，而是在加速。

这种加速现象暗示存在一种未知的排斥力，在宏观尺度上与引力相抗衡。科学家将这种神秘力量命名为"暗能量"。尽管有悖直觉，这一概念如今已成为宇宙学标准模型——\(\Lambda\)CDM（Λ冷暗物质）模型的基石，其中Lambda（\(\Lambda\)）代表暗能量。

暗能量在宇宙中代表什么？

根据欧洲空间局（ESA）普朗克卫星于2018年发布的最精确数据，宇宙的组成成分如下：

暗能量的主导地位仍是现代物理学最大的谜团之一。目前最被接受的理论（尽管尚未证实）认为它是一种宇宙学常数，即真空空间的一种固定属性。但对许多科学家而言，认为宇宙68%的成分是一种神秘的"常数"这一观点，令人深感不满。近年来，观测结果暗示暗能量可能存在演化，这一观点正日益挑战着暗能量恒常不变的理论。

我们如何测量宇宙的内容？

直接“称量”宇宙是不可能的。那么科学家是如何知道其约68%的物质是暗能量的呢？

关键在于暗物质。尽管不可见，但它施加着可测量的引力影响：如同宇宙胶水般维系着星系的凝聚。通过观测恒星绕星系旋转的速度，天文学家可以估算出存在的总质能。结果令人震惊：探测到的质能远超可见物质。因此，可观测的重子物质仅占宇宙总能量的极小部分。

为了完善这一图景，科学家们转向通过超新星测量的宇宙膨胀，以及普朗克卫星观测到的宇宙微波背景研究。即使将可见物质与暗物质全部加总，我们也仅能解释宇宙加速所需能量的约32%。剩余的68%对应着暗能量——这种具有引力效应的能量形式，正是它推动了宇宙膨胀的加速。

如何解释这种排斥力？

宇宙加速膨胀的现象表明存在一种部分抵消引力的排斥力。这种"宇宙力"无法直接观测，但可通过星系运动及宇宙微波背景辐射感知其影响。科学家基于不同物理原理提出了多种假说试图解释这一现象。

解释暗能量排斥力的主要理论
理论	物理原理	关键观察	效应规模	优势	局限性
宇宙学常数（Λ）	具有恒定负压的真空能量	宇宙微波背景辐射、Ia型超新星、大尺度结构	整个宇宙	简单、与ΛCDM兼容、能很好地解释加速现象	不预测Λ的精确值，“微调”问题
精粹	随时间演化的动态标量场	超新星和重子声学振荡测量的膨胀演化	大尺度宇宙	允许加速度随时间变化，比Λ更灵活	假设的、未被探测的场域，理论复杂性
引力修正（f(R)理论、膜世界等）	广义相对论在大尺度上的扩展或修正	星系分布、引力透镜、结构增长	宇宙学尺度（10^8–10^10 光年）	可以解释无暗能量的加速现象	复杂且严格的观测限制，尚未得到确认
量子真空能量	真空量子涨落之和	对膨胀的间接影响，与量子物理的一致性	整个宇宙	根据已知的量子物理学	预测密度过高，与观测结果存在偏差
查普雷金气体	统一暗物质与暗能量的奇异流体	Ia型超新星，宇宙膨胀	整个宇宙	可能的统一理论	缺乏直接证据，高度推测性模型
全息/熵原理	暗能量与信息及宇宙表面（全息原理）相关	全局宇宙学参数，宇宙的熵	整个宇宙	与量子引力相关的链接，创新概念	概念理论，难以通过实验验证
暗物质/暗能量相互作用	暗物质与暗能量通过一种未知的力相互作用。	星系分布，结构增长中的异常现象	大尺度宇宙	可以解释观测到的与ΛCDM模型的一些差异	假设性，无直接证据

解释暗能量排斥力的主要理论

理论

物理原理

关键观察

效应规模

优势

局限性

宇宙学常数（Λ）

具有恒定负压的真空能量

宇宙微波背景辐射、Ia型超新星、大尺度结构

整个宇宙

简单、与ΛCDM兼容、能很好地解释加速现象