暗能量：宇宙膨胀的推手

自16世纪哥白尼提出日心说始，到望远镜的发明和使用，科学家们逐渐揭示了宇宙的广袤与复杂。宇宙，在我们心中已是无垠的代表词。然而可能不知道的是，这个印象中已是无穷大的存在居然还在继续膨胀。

17世纪，牛顿的万有引力定律解释了物体间的引力作用，奠定了经典物理学的基础。在牛顿的宇宙观中，宇宙是一个静态的、永恒不变的系统，所有天体在空间中恒久存在。这个静态宇宙的模型在当时广受科学家们的支持。到了爱因斯坦1915年提出广义相对论于，指出引力实际上是由时空的弯曲引起的。尽管爱因斯坦修正了引力观，他仍然坚信宇宙是静态的。为了维持这种静态的假设，他在广义相对论的方程中引入了宇宙常数，试图平衡引力导致的宇宙收缩。但后来，爱因斯坦把这一修改称为“他一生中最大的错误”。

1929年，这一切随着天文学家爱德温·哈勃通过对遥远星系的观测发生了改变。观测结果揭示一个震撼性的事实：这些星系正在远离我们，并且越远的星系，远离的速度越快。这意味着宇宙在膨胀，就像气球被吹大一样，所有的物体都在彼此远离。这一发现证明宇宙并不是静止的，而是在不断膨胀，这一现象被称为“哈勃定律”。

哈勃的发现为宇宙膨胀理论提供了有力的观测证据，这标志着静态宇宙观的终结，并引发了科学界对宇宙演化的全新思考。然而在当时，包括爱因斯坦在内的科学家们认为这种膨胀是减缓的，因为随着时间的推移，物质之间的引力应该逐渐减慢这种膨胀速度，甚至可能导致宇宙在某个时刻停止膨胀，进入收缩阶段，最终坍缩成一个密集的状态。

1990年代末，科学家通过对Ia型超新星的观测得到了一个完全出乎意料的结果。我们先要介绍一下，Ia型超新星是一种特殊的恒星爆炸事件，发生在白矮星这样高密度的恒星核心中。白矮星是恒星演化到晚期阶段的残骸，当白矮星积累到一定的质量时（大约为太阳质量的1.4倍，这个临界点被称为钱德拉塞卡极限），核心向外抵抗的力骤然减少，坍缩导致剧烈的热核反应，引发一场大爆炸。这个过程就是我们所看到的Ia型超新星。

与其他类型的超新星相比，Ia型超新星有一个重要的特点：它们的亮度几乎恒定。由于这些白矮星在接近钱德拉塞卡极限时都会发生爆炸，所以它们的初始质量相对固定，这使得每个Ia型超新星在爆发时的亮度都非常接近。这种稳定性使它们成为了理想的“标准烛光”。

标准烛光：测量宇宙距离的工具

在天文学中，标准烛光是指那些其绝对亮度已知的天体。通过测量一个天体的视亮度（从地球上看到的亮度）并结合其已知的绝对亮度，我们可以使用简单的数学公式来推算出它与地球的距离。这种方法就像在夜晚看到路灯或者发光物体时，通过亮度可以判断它和我们之间的距离。

在1990年代末，高红移超新星搜索队和超新星宇宙学项目这两个独立的团队使用Ia型超新星来测量遥远星系的距离和速度。他们观测结果却完全超出了预期：这些超新星的亮度比预想的要暗，意味着它们比理论推测的要更远。这就说明宇宙的膨胀速度在加速，这直接颠覆了当时科学家们对引力作用下宇宙膨胀应当逐渐减缓的传统认知。面对上述的问题，科学家们提出了暗能量这一概念。

要理解暗能量在宇宙中的占比，首先需要了解当今主导的宇宙模型——ΛCDM模型。这是目前最被广泛接受的宇宙学模型，用来描述宇宙的演化和结构。Λ代表宇宙常数，也就是暗能量的一个最基本的模型，CDM代表“冷暗物质”（Cold Dark Matter），这是描述暗物质的一种形式。

在这个模型中，科学家假设宇宙由三大主要成分构成：

普通物质：构成恒星、星系、行星以及我们所熟知的所有物质，约占宇宙总能量的5%。

暗物质：虽然不可见，但通过引力影响我们知道它的存在，约占27%。

暗能量：一种不与普通物质和辐射直接相互作用的神秘成分，约占68%。

然而尽管我们已经知道暗能量占据了宇宙的绝大部分能量，并推动着宇宙的加速膨胀，但对于它究竟是什么，科学家们仍然没有清晰的答案。科学家们针对暗能量的概念也提出了几种不同的猜想。虽然这些猜想背后包含了大量复杂的物理学理论，但它们都源于一个核心问题：是什么力量在推动宇宙的加速膨胀？

1) 暗能量就是宇宙的“真空能量”？

大家可能认为真空中什么都没有。但在物理学中，真空并非真正的空无一物，而是充满了微小的、随机的能量涨落。这些看不见的能量或许就是推动宇宙不断膨胀的幕后力量。科学家们用宇宙常数这个词来描述这种现象，最早是爱因斯坦在提出广义相对论时为了维持宇宙的静态模型引入的一个概念。

然而，随着哈勃发现宇宙并不是静止的，而是在膨胀，爱因斯坦一度放弃了这个概念。但在暗能量的出现之后，科学家重新思考了宇宙常数的含义，这种“真空能量可能与暗能量有着密切的联系。

2) 暗能量会变吗？一种可能的动态解释

如果我们问：“暗能量是恒定不变的吗？”得到的回答或许是否定的。科学家们提出了一种动态的解释：暗能量可能会随着时间的推移而发生变化。

这个想法类似于天气变化，比如今天的风可能很强，明天可能变得很弱。同样的，暗能量在宇宙的不同阶段可能表现得更强或更弱。在宇宙诞生的早期，暗能量的作用或许就很小，因为那时引力和物质的相互作用占主导地位。但随着宇宙的膨胀，暗能量的影响也越来越明显。根据这个思路，科学家们提出了几种动力学模型，如Quitessence、Phantom等标量场暗能量模型。暗能量像是一个看不见的场，它的力量并非恒定不变，而是随着宇宙的演化不断变化，通过观测不同历史时期的星系运动有望验证这个理论。

3) 我们的引力理论真的正确吗？

再回到一个基本的问题上：也许暗能量并不是一种独立的能量形式，而是我们对引力的理解还不够全面。引力从牛顿提出开始，是我们所熟知的让苹果落地、让星球保持轨道运动的力量，但我们并不完全理解它在宇宙大尺度上的行为。有一些科学家提出，宇宙的加速膨胀可能并不是由暗能量本身驱动的，而是由于引力在大尺度上发生了某种变化。科学家们正在尝试通过更精确的观测和计算，检验引力理论在大尺度上的表现是否符合现有的模型。

4) 宇宙隐藏的维度：暗能量是它们的表现？

还有一种更加前沿的想法提出，暗能量的存在或许与宇宙中隐藏的额外维度有关。我们熟悉的宇宙有三维空间和一维时间，但一些物理学家认为，可能存在着我们无法感知的更多维度。如果这种隐藏的维度真的存在，它们可能会通过某种方式影响我们所能看到的宇宙。换句话说，暗能量并不一定是一种真正的能量，而可能是这些额外维度在我们宇宙中的投影。虽然这个想法听起来很科幻，但它正是当前物理学中超弦理论等前沿理论的一部分。

目前，暗能量的谜团依然悬而未解。虽然我们能够通过观测宇宙的膨胀速度，间接感受到它的存在，但关于它的本质，科学家们仍然没有定论。2020年7月20日，深场重子声波振荡光谱巡天（eBOSS）国际合作组发布最新宇宙学研究成果：中国科学院国家天文台赵公博研究员和王钰婷副研究员发现暗能量存在的新证据，他们在11个标准差水平上证实了暗能量的存在。这是迄今为止依托星系巡天得到的最强暗能量观测证据。

从“暗能量巡天”（DES）到“欧几里得卫星”（Euclid）、“暗能量光谱仪”（DESI），这些先进的观测项目将继续深入探索暗能量的特性，为我们解开宇宙最深层的谜团提供更可靠的数据支持。

参考文献

姜颖.相互作用暗能量模型的理论研究[D].辽宁师范大学,2020.

作者 蔡文垂 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生

审核 刘茜 北京天文馆研究员