暗能量充斥宇宙。但它到底是什么？

宇宙有黑暗的一面——它充满了暗物质和暗能量。暗物质是漂浮在星系周围的看不见的物质，物理学家们曾利用巨大的冰桶、粒子对撞机和其他复杂的技术寻找它们。但暗物质的奇怪兄弟——暗能量呢？

暗能量是指随着时间的推移导致宇宙膨胀得越来越快的某种物质。当今宇宙学家面临的最大难题是找出这种“物质”的身份。

澳大利亚昆士兰大学教授、天体物理学家塔玛拉·戴维斯 (Tamara Davis) 表示：“我们可以告诉你很多有关暗能量的性质及其行为方式的信息。然而，我们仍然不知道它是什么。这是一个大问题。”

我们如何知道暗能量存在？

天文学家早就知道宇宙正在膨胀。20 世纪初，埃德温·哈勃观察了运动中的星系，并创立了哈勃定律，该定律将星系的速度与其与我们的距离联系起来。然而，在 20 世纪末，在遥远星系中发现超新星的新发现揭示了一个难题：宇宙的膨胀并不是恒定的，而是在加速。

德克萨斯大学奥斯汀分校天体物理学家凯瑟琳·弗里斯说：“宇宙加速膨胀的事实让我们所有人都感到惊讶。”与引力不同，暗能量必须产生“某种排斥行为，使物体彼此之间分离得越来越快”，弗里斯补充道。

自 20 世纪 90 年代以来，许多观测都证实了宇宙正在加速膨胀。遥远星系中爆炸的恒星看起来比稳定膨胀的宇宙中应该有的亮度要暗淡。甚至宇宙微波背景（宇宙历史上最初清晰时刻的残留光）也显示出暗能量的影响痕迹。 为了解释所观测到的宇宙，暗能量是我们宇宙学数学模型的必要组成部分。

[相关：暗物质从未杀死过任何人，科学家想知道原因]

暗能量这个术语是天体物理学家迈克尔·特纳于 1998 年创造的，以匹配暗物质的命名法。它还传达了宇宙加速膨胀是一个关键的未解问题。当时许多科学家认为阿尔伯特·爱因斯坦的宇宙常数（他为了使数学运算得以实现而纳入广义相对论的一个“模糊因子”，也称为 lambda）是暗能量的完美解释，因为它与他们的模型非常吻合。

“我曾相信事情没那么简单，”特纳说，他现在是加州大学洛杉矶分校的客座教授。他认为宇宙加速膨胀是“最深奥的问题”和“整个科学界最大的谜团”。

暗能量为何重要？

Lambda-CDM 模型认为，我们所生活的宇宙中只有 5% 的正常物质（即我们所见过或接触过的一切），加上 27% 的暗物质和高达 68% 的暗能量，耶鲁大学天体物理学家 Will Tyndall 表示，这是“宇宙学的当前范式”。他说，该模型“雄心勃勃地试图整合（并解释）整个宇宙历史”。但它仍有许多问题未得到解释，包括暗能量的性质。“毕竟，我们怎么可能对据称构成我们生活的宇宙 68% 的东西了解得如此之少呢？”Tyndall 补充道。

暗能量也是决定宇宙最终命运的重要因素。宇宙是否会在一次大撕裂中分崩离析，所有东西都会被原子一个原子地撕碎？还是会以呜咽结束？

这些情景取决于暗能量是否随时间变化。如果暗能量只是宇宙常数，没有变化，我们的宇宙将永远膨胀到一个非常孤独的地方；在这种情况下，我们本星系群以外的所有恒星对我们来说都是不可见的，因为太红而无法探测到。

如果暗能量变得更强，可能会导致大撕裂事件。也许暗能量会减弱，我们的宇宙会重新收缩，以新的大爆炸重新开始整个循环。物理学家只有在更好地掌握暗能量的性质后，才会知道这些情景中的哪一种会发生。

暗能量究竟是什么？

暗能量在宇宙数学中以爱因斯坦宇宙常数的形式出现，但这并不能解释宇宙膨胀加速的物理原因。一个领先的理论是量子力学的一个奇特特征，即真空能量。这是在粒子及其反粒子对快速出现和消失时产生的，这种情况几乎无处不在。

这听起来像是对暗能量的一个很好的解释。但有一个大问题：科学家测量的真空能量值和他们根据理论预测的真空能量值大相径庭，令人费解。这就是所谓的宇宙常数问题。特纳说，换句话说，粒子物理学家的模型预测我们认为的“无”应该有一定的重量。但测量发现它的重量很小，甚至根本没有。“也许无就是无重量，”他说。

[相关：一项雄心勃勃的暗能量实验刚刚在亚利桑那州启动]

多年来，宇宙学家对暗能量提出了其他解释。其中之一就是弦理论，该理论认为宇宙是由微小的弦状部分组成的，而我们所看到的暗能量值恰好是许多不同多元宇宙中的一种可能性。许多物理学家认为，从逻辑上讲，这种理论非常以人类为中心——我们无法存在于具有其他宇宙常数值的宇宙中，所以我们最终生活在这个宇宙中，即使它与其他宇宙常数相比是个异常值。

其他物理学家也曾考虑过彻底改变爱因斯坦的广义相对论方程，但大部分尝试都被 LIGO 对引力波的开创性观测结果排除了。“简而言之，我们需要一个绝妙的新想法，”弗里斯说。

科学家将如何解开这个谜团？

对宇宙的新观察或许可以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的膨胀正在加速——但这种加速是否一直都一样？如果这个问题的答案是否定的，那么这意味着暗能量并不是恒定的，而世界各地的物理学理论家的生活将被颠覆，因为他们将努力寻找新的解释。

亚利桑那州基特峰天文台已经在进行一项名为“暗能量光谱仪”（DESI）的项目。该项目通过宇宙制图寻找宇宙中不同加速度的迹象。“这就像在宇宙上铺一张网格纸，测量它随着时间的推移是如何膨胀和加速的，”戴维斯说。

甚至还有更多的实验即将启动，比如今年夏天发射的欧洲欧几里得任务。欧几里得将绘制远至 100 亿光年外的星系图——回溯 100 亿年前的过去。正如其任务网站所述，这是“暗能量在加速宇宙膨胀中发挥重要作用的整个时期”。CHIME 等射电望远镜将以略有不同的方式绘制宇宙图，追踪氢在太空中的扩散方式。

然而，新的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，也无法告诉我们它到底是什么，”戴维斯补充道。“真正需要的突破是理论突破。”天文学家为新实验制定了时间表，这些实验将继续前进，记录越来越准确的测量结果。但理论突破是不可预测的——可能需要一年、十年甚至一百多年。“在科学中，真正的谜题很少。真正的谜题意味着你真的不知道答案，”特纳说。“我认为暗能量就是其中之一。”