暗能量充斥着宇宙，但它到底是什么

一幅由碰撞星系组成的Abell 2744星团的合成图像。蓝色代表暗物质，它是暗能量的神秘同类。

宇宙有一个黑暗的一面：它充满了暗物质和暗能量。暗物质是环绕星系的看不见的质量，物理学家们用巨大的冰块、粒子对撞机和其他精密的技术来寻找它。但是，关于暗物质更奇怪的兄弟姐妹——暗能量呢？

暗能量是指导致宇宙随着时间推移而加速膨胀的某种东西。当今面临天文学家们面临的巨大难题就是弄清楚那个“某种东西”的身份。

“我们可以告诉你很多关于暗能量的性质和行为，”澳大利亚昆士兰大学天体物理学家Tamara Davis教授说。“然而，我们仍然不知道它到底是什么。这才是最大的问题。”

我们怎么知道暗能量存在？

天文学家们早就知道宇宙在膨胀。20世纪初，Edwin Hubble观测到星系运动，并创立了哈勃定律，该定律将一个星系的速度与其距离我们有关。然而，在20世纪末，对遥远星系中超新星(supernovae)新发现揭示了一个难题： 宇宙膨胀并不恒定，而是在加速。

“宇宙加速膨胀这一事实让我们都感到惊讶，”德克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家Katherine Freese说。她补充说，与引力这种吸引力不同，暗能量必须产生“某种排斥行为，使事物彼此之间越来越快地分离开来。”

自从20世纪90年代以来，许多观测都证实了宇宙在加速膨胀。遥远星系中爆炸的恒星比在稳定膨胀的宇宙中应该出现的更暗淡。甚至是宇宙微波背景——从宇宙历史上第一个清晰时刻开始残留下来的光——也显示出暗能量效应的痕迹。为了解释观测到的宇宙，暗能量是我们数学模型中必不可少的一个组成部分。

暗能量这个术语是由天体物理学家Michael Turner在1998年提出的，以与暗物质的命名相匹配。它还表达了一个意思： 宇宙加速膨胀是一个关键而未解决的问题。当时许多科学家认为阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)提出的“余项”——他在广义相对论中加入的一个“修正因子”，也被称为lambda——是对暗能量完美的解释，因为它很好地符合他们的模型。

“我认为事情并没有那么简单，”现在是加州大学洛杉矶分校(UCLA)客座教授的Turner说。他认为加速膨胀的宇宙是“最深刻的问题”和“科学中最大的谜团”。

为什么很暗能量重要？

Lambda-CDM模型认为我们生活在一个由5%的普通物质(你所见过或触摸过的一切)加上27%的暗物质和高达68%的暗能量组成的宇宙中，这是“现代宇宙学的主流范式”，耶鲁大学天体物理学家Will Tyndall说。他说，这个模型“相当雄心勃勃地试图包含(并解释)整个宇宙历史”，但它仍然留下了很多未解之谜，包括暗能量的本质。“毕竟，我们对一个据说占据我们生活的宇宙68%的东西怎么会如此不了解呢？”Tyndall补充说。

暗能量也是决定我们宇宙最终命运的一个重要因素。宇宙会在大撕裂中被撕裂吗？在这种情况下，一切都会被原子级别地撕碎。还是会以一声叹息而结束？

这些情景取决于暗能量是否随时间变化。如果暗能量只是余项，没有任何变化，那么我们的宇宙将永远地膨胀成一个非常孤独的地方；在这种情况下，除了我们本地星系团之外的所有恒星对我们来说都是看不见的，太红了以至于无法被探测到。

如果暗能量变得更强，可能导致大撕裂事件发生。也许暗能量减弱了，我们的宇宙又塌缩下来，重新开始一个新的大爆炸周期。在物理学家们对暗能量本质有更好的把握之前，他们不会知道哪种情景在前方等待着他们。

暗能量到底是什么？

暗能量在宇宙数学中表现为爱因斯坦提出的余项，但这并不能解释什么物理原因导致了宇宙膨胀加速。一个领先的理论是量子力学中一种古怪特征：真空能。当粒子和反粒子对快速地出现和消失时就产生了真空能，在任何地方任何时候都会发生这样的事情。

这听起来像是一个很好的解释暗能量的方法。但有一个大问题：科学家测量和从理论预测出的真空能的值相差非常大，而且无法解释。这就是所谓的余项问题。换句话说，粒子物理学家的模型预测我们认为的“无”应该有一些重量，Turner说。但是测量发现它几乎没有重量，如果有的话也很少。“也许无就是无”，他说。

多年来，宇宙学家提出了其他一些关于暗能量的解释。其中之一是弦理论，它声称宇宙是由微小的类似弦状的东西组成的，我们看到的暗能量值只是许多不同多元宇宙中可能性之一。许多物理学家认为这种逻辑非常以人为本——我们不能存在于具有其他余项值的宇宙中，所以我们最终在这个宇宙中，即使它与其他宇宙相比是一个异常。

其他一些物理学家考虑过完全改变爱因斯坦提出的广义相对论方程，但大多数这样的尝试都被LIGO开创性地观测到引力波后排除了。“简而言之，我们需要一个全新而出色的想法”，Freese说。

科学家们如何解决这个谜题？

对宇宙进行新观测可能能够帮助天体物理学家更详细地测量暗能量的性质。例如，天文学家已经知道宇宙膨胀正在加速——但加速度是否一直保持不变？如果答案是否定的，那么意味着暗能量并不恒定，并且物理理论家们将会被颠覆他们寻找新解释。

一个名为暗能量光谱仪(DESI)的项目已经在亚利桑那州的基特峰天文台开始进行。这项工作通过宇宙制图来寻找宇宙加速度变化的迹象。“就像在宇宙上铺一张网格纸，测量它是如何随着时间扩张和加速的”，Davis说。

还有更多的实验即将进行，例如欧洲的Euclid任务将于今年夏天发射。Euclid将绘制距离我们高达100亿光年(相当于向后看100亿年)的星系地图。这是“暗能量在加速宇宙膨胀方面发挥重要作用的整个时期”，正如其任务网站所述。射电望远镜，如CHIME，将以一种稍微不同的方式绘制宇宙地图，追踪氢如何分布在空间中。

然而，新观测并不能解决所有问题。“即使我们无限精确地测量暗能量的性质，也不能告诉我们它是什么”，Davis补充说。“真正需要突破的是理论上的。”天文学家们有一个新实验的时间表，他们将继续前进，记录越来越好、越来越精确的测量结果。但理论上的突破是不可预测的——可能需要一年、十年或甚至一百多年。“在科学中，真正有意思的谜题很少。真正有意思的谜题意味着你真的不知道答案”，Turner说。“我认为暗能量就是其中之一。”

本文译自 Popular Science，由 BALI 编辑发布。