APP 自16世紀(jì)哥白尼提出日心說始，到望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明和使用，科學(xué)家們逐漸揭示了宇宙的廣袤與復(fù)雜。宇宙，在我們心中已是無垠的代表詞。然而可能不知道的是，這個印象中已是無窮大的存在居然還在繼續(xù)膨脹。
17世紀(jì)，牛頓的萬有引力定律解釋了物體間的引力作用，奠定了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。在牛頓的宇宙觀中，宇宙是一個靜態(tài)的、永恒不變的系統(tǒng)，所有天體在空間中恒久存在。這個靜態(tài)宇宙的模型在當(dāng)時廣受科學(xué)家們的支持。到了愛因斯坦1915年提出廣義相對論于，指出引力實際上是由時空的彎曲引起的。盡管愛因斯坦修正了引力觀，他仍然堅信宇宙是靜態(tài)的。為了維持這種靜態(tài)的假設(shè)，他在廣義相對論的方程中引入了宇宙常數(shù)，試圖平衡引力導(dǎo)致的宇宙收縮。但后來，愛因斯坦把這一修改稱為“他一生中最大的錯誤”。
1929年，這一切隨著天文學(xué)家愛德溫·哈勃通過對遙遠(yuǎn)星系的觀測發(fā)生了改變。觀測結(jié)果揭示一個震撼性的事實：這些星系正在遠(yuǎn)離我們，并且越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離的速度越快。這意味著宇宙在膨脹，就像氣球被吹大一樣，所有的物體都在彼此遠(yuǎn)離。這一發(fā)現(xiàn)證明宇宙并不是靜止的，而是在不斷膨脹，這一現(xiàn)象被稱為“哈勃定律”。
哈勃的發(fā)現(xiàn)為宇宙膨脹理論提供了有力的觀測證據(jù)，這標(biāo)志著靜態(tài)宇宙觀的終結(jié)，并引發(fā)了科學(xué)界對宇宙演化的全新思考。然而在當(dāng)時，包括愛因斯坦在內(nèi)的科學(xué)家們認(rèn)為這種膨脹是減緩的，因為隨著時間的推移，物質(zhì)之間的引力應(yīng)該逐漸減慢這種膨脹速度，甚至可能導(dǎo)致宇宙在某個時刻停止膨脹，進(jìn)入收縮階段，最終坍縮成一個密集的狀態(tài)。
1990年代末，科學(xué)家通過對Ia型超新星的觀測得到了一個完全出乎意料的結(jié)果。我們先要介紹一下，Ia型超新星是一種特殊的恒星爆炸事件，發(fā)生在白矮星這樣高密度的恒星核心中。白矮星是恒星演化到晚期階段的殘骸，當(dāng)白矮星積累到一定的質(zhì)量時（大約為太陽質(zhì)量的1.4倍，這個臨界點(diǎn)被稱為錢德拉塞卡極限），核心向外抵抗的力驟然減少，坍縮導(dǎo)致劇烈的熱核反應(yīng)，引發(fā)一場大爆炸。這個過程就是我們所看到的Ia型超新星。
與其他類型的超新星相比，Ia型超新星有一個重要的特點(diǎn)：它們的亮度幾乎恒定。由于這些白矮星在接近錢德拉塞卡極限時都會發(fā)生爆炸，所以它們的初始質(zhì)量相對固定，這使得每個Ia型超新星在爆發(fā)時的亮度都非常接近。這種穩(wěn)定性使它們成為了理想的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。
標(biāo)準(zhǔn)燭光：測量宇宙距離的工具
在天文學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)燭光是指那些其絕對亮度已知的天體。通過測量一個天體的視亮度（從地球上看到的亮度）并結(jié)合其已知的絕對亮度，我們可以使用簡單的數(shù)學(xué)公式來推算出它與地球的距離。這種方法就像在夜晚看到路燈或者發(fā)光物體時，通過亮度可以判斷它和我們之間的距離。
在1990年代末，高紅移超新星搜索隊和超新星宇宙學(xué)項目這兩個獨(dú)立的團(tuán)隊使用Ia型超新星來測量遙遠(yuǎn)星系的距離和速度。他們觀測結(jié)果卻完全超出了預(yù)期：這些超新星的亮度比預(yù)想的要暗，意味著它們比理論推測的要更遠(yuǎn)。這就說明宇宙的膨脹速度在加速，這直接顛覆了當(dāng)時科學(xué)家們對引力作用下宇宙膨脹應(yīng)當(dāng)逐漸減緩的傳統(tǒng)認(rèn)知。面對上述的問題，科學(xué)家們提出了暗能量這一概念。
要理解暗能量在宇宙中的占比，首先需要了解當(dāng)今主導(dǎo)的宇宙模型——ΛCDM模型。這是目前最被廣泛接受的宇宙學(xué)模型，用來描述宇宙的演化和結(jié)構(gòu)。Λ代表宇宙常數(shù)，也就是暗能量的一個最基本的模型，CDM代表“冷暗物質(zhì)”（Cold Dark Matter），這是描述暗物質(zhì)的一種形式。
在這個模型中，科學(xué)家假設(shè)宇宙由三大主要成分構(gòu)成：
普通物質(zhì)：構(gòu)成恒星、星系、行星以及我們所熟知的所有物質(zhì)，約占宇宙總能量的5%。
暗物質(zhì)：雖然不可見，但通過引力影響我們知道它的存在，約占27%。
暗能量：一種不與普通物質(zhì)和輻射直接相互作用的神秘成分，約占68%。
然而盡管我們已經(jīng)知道暗能量占據(jù)了宇宙的絕大部分能量，并推動著宇宙的加速膨脹，但對于它究竟是什么，科學(xué)家們?nèi)匀粵]有清晰的答案。科學(xué)家們針對暗能量的概念也提出了幾種不同的猜想。雖然這些猜想背后包含了大量復(fù)雜的物理學(xué)理論，但它們都源于一個核心問題：是什么力量在推動宇宙的加速膨脹？
1) 暗能量就是宇宙的“真空能量”？
大家可能認(rèn)為真空中什么都沒有。但在物理學(xué)中，真空并非真正的空無一物，而是充滿了微小的、隨機(jī)的能量漲落。這些看不見的能量或許就是推動宇宙不斷膨脹的幕后力量?？茖W(xué)家們用宇宙常數(shù)這個詞來描述這種現(xiàn)象，最早是愛因斯坦在提出廣義相對論時為了維持宇宙的靜態(tài)模型引入的一個概念。
然而，隨著哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙并不是靜止的，而是在膨脹，愛因斯坦一度放棄了這個概念。但在暗能量的出現(xiàn)之后，科學(xué)家重新思考了宇宙常數(shù)的含義，這種“真空能量可能與暗能量有著密切的聯(lián)系。
2) 暗能量會變嗎？一種可能的動態(tài)解釋
如果我們問：“暗能量是恒定不變的嗎？”得到的回答或許是否定的。科學(xué)家們提出了一種動態(tài)的解釋：暗能量可能會隨著時間的推移而發(fā)生變化。
這個想法類似于天氣變化，比如今天的風(fēng)可能很強(qiáng)，明天可能變得很弱。同樣的，暗能量在宇宙的不同階段可能表現(xiàn)得更強(qiáng)或更弱。在宇宙誕生的早期，暗能量的作用或許就很小，因為那時引力和物質(zhì)的相互作用占主導(dǎo)地位。但隨著宇宙的膨脹，暗能量的影響也越來越明顯。根據(jù)這個思路，科學(xué)家們提出了幾種動力學(xué)模型，如Quitessence、Phantom等標(biāo)量場暗能量模型。暗能量像是一個看不見的場，它的力量并非恒定不變，而是隨著宇宙的演化不斷變化，通過觀測不同歷史時期的星系運(yùn)動有望驗證這個理論。
3) 我們的引力理論真的正確嗎？
再回到一個基本的問題上：也許暗能量并不是一種獨(dú)立的能量形式，而是我們對引力的理解還不夠全面。引力從牛頓提出開始，是我們所熟知的讓蘋果落地、讓星球保持軌道運(yùn)動的力量，但我們并不完全理解它在宇宙大尺度上的行為。有一些科學(xué)家提出，宇宙的加速膨脹可能并不是由暗能量本身驅(qū)動的，而是由于引力在大尺度上發(fā)生了某種變化?？茖W(xué)家們正在嘗試通過更精確的觀測和計算，檢驗引力理論在大尺度上的表現(xiàn)是否符合現(xiàn)有的模型。
4) 宇宙隱藏的維度：暗能量是它們的表現(xiàn)？
還有一種更加前沿的想法提出，暗能量的存在或許與宇宙中隱藏的額外維度有關(guān)。我們熟悉的宇宙有三維空間和一維時間，但一些物理學(xué)家認(rèn)為，可能存在著我們無法感知的更多維度。如果這種隱藏的維度真的存在，它們可能會通過某種方式影響我們所能看到的宇宙。換句話說，暗能量并不一定是一種真正的能量，而可能是這些額外維度在我們宇宙中的投影。雖然這個想法聽起來很科幻，但它正是當(dāng)前物理學(xué)中超弦理論等前沿理論的一部分。
目前，暗能量的謎團(tuán)依然懸而未解。雖然我們能夠通過觀測宇宙的膨脹速度，間接感受到它的存在，但關(guān)于它的本質(zhì)，科學(xué)家們?nèi)匀粵]有定論。2020年7月20日，深場重子聲波振蕩光譜巡天（eBOSS）國際合作組發(fā)布最新宇宙學(xué)研究成果：中國科學(xué)院國家天文臺趙公博研究員和王鈺婷副研究員發(fā)現(xiàn)暗能量存在的新證據(jù)，他們在11個標(biāo)準(zhǔn)差水平上證實了暗能量的存在。這是迄今為止依托星系巡天得到的最強(qiáng)暗能量觀測證據(jù)。
從“暗能量巡天”（DES）到“歐幾里得衛(wèi)星”（Euclid）、“暗能量光譜儀”（DESI），這些先進(jìn)的觀測項目將繼續(xù)深入探索暗能量的特性，為我們解開宇宙最深層的謎團(tuán)提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。
參考文獻(xiàn)
姜穎.相互作用暗能量模型的理論研究[D].遼寧師范大學(xué),2020.
作者 蔡文垂 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 研究生
審核 劉茜 北京天文館研究員
