在我們對宇宙所做的所有革命性的發現中，最出乎意料和令人驚訝的是暗能量。自大爆炸以來，一場偉大的宇宙競賽一直在進行：從最初的膨脹，努力將一切分開，到引力，努力將一切拉回一起。數十億年來，宇宙表現得好像這兩種對立的影響在完美的平衡中。
然後，大約60億年前，膨脹突然又開始加速，導致遙遠的物體加速。暗能量是我們給這個意外現象的未知原因起的名字，有人一定問：
暗能量會產生引力嗎？換句話說，隨著空間的擴展，暗能量的增加是否也會產生更大的引力？
簡短的回答是「是的」，但並不那麼直觀。讓我們深入了解一下到底發生了什麼。
宇宙中的每一種形式的能量，不管它是多麼怪異、奇異或陌生，都遵循著同樣的引力定律：愛因斯坦的廣義相對論。我們過去所使用的大多數能量都是以量子的形式出現的：一種微小的點狀能量包，它在時空結構中運動。其中一些量子是輻射狀的，這意味著它們以光速（或不明顯地接近光速）移動。其他的則是類似物質，這意味著它們的移動速度比光速慢。
一些很好的例子是光子，它們總是像輻射，暗物質它們總是像物質一樣，中微子，它們的行為像早期宇宙中的輻射（或者今天，當它們是由恆星或其他高能核過程發射的時候），但以後當宇宙膨脹和冷卻足夠時，它就像物質一樣。
這種二分法的原因是，每個粒子都有兩種可能擁有的能量：
靜止質量能，是粒子本身固有的能量，通過愛因斯坦最著名的方程，E=mc^2，動能，是粒子在宇宙中運動所產生的能量。隨著宇宙的膨脹，粒子的數量保持不變，但它們所佔的體積——宇宙的大小——卻增加了。
如果我們問物質密度是如何隨時間下降的問題，它應該像體積一樣稀釋：與宇宙體積成正比。但是如果有很多動能，或者像一個無質量的光子，其能量是由波長決定的，不僅會隨著體積變稀，而且波長也會隨著宇宙的膨脹而變長。因此，輻射按宇宙大小與四次方成比例稀釋。
圖註：宇宙能量密度的各種組成部分和貢獻者，以及它們可能支配的時間。請注意，在最初的9000年中，輻射對物質起主導作用，但相對於物質而言，輻射仍然是一個重要的組成部分，直到宇宙有幾億年的歷史，從而抑制了結構的引力增長。暗能量，在後期，成為唯一重要的實體。但是除了粒子，宇宙還有其他形式的能量。特別是，三種不同的思想已經存在了很長一段時間，它們都有能量，但都有自己的進化。
宇宙弦：是一種長而細的一維能量鏈，它橫跨宇宙。疇壁（Domain walls）：是一種長而薄的二維能量層，橫跨宇宙。宇宙常數：宇宙結構本身固有的一種能量形式。隨著宇宙的膨脹，宇宙弦仍然可以在一個維度上橫跨整個宇宙，但在另外兩個維度上所佔的宇宙體積將更少。疇壁可以在二維空間中跨越整個宇宙，但在另一個維度中仍然會稀釋。但對於宇宙學常數來說，空間正在膨脹的事實只是意味著有更多的體積，它根本不會稀釋。能量密度將保持不變。
圖註：藍色「陰影」表示過去和將來暗能量密度如何不同的可能不確定性。這些數據指向了一個真正的宇宙學「常數」，但其他的可能性仍然是允許的。隨著物質變得越來越不重要，暗能量成為唯一重要的術語。隨著時間的推移，膨脹率有所下降，但現在將逐漸接近55 km/s/Mpc。這就是大多數人開始感到困惑的地方。暗能量最簡單、應用最廣泛的候選者，也是最符合全套數據的候選者，就是暗能量是宇宙常數。我們看到宇宙膨脹的事實意味著，一定有某種新的能量形式導致這些遙遠的星系隨著時間的推移越來越快地遠離我們。
但是，如果宇宙中存在的能量是引力起作用的原因，因為所有不同形式的能量都會吸引所有其他形式的能量，那麼為什麼隨著宇宙年齡的增長，越來越遠的星系似乎在加速遠離我們呢？畢竟，這是一件非直覺的事情！你會認為，如果宇宙擁有一個宇宙學常數，它會隨著宇宙的膨脹而獲得能量，並且會引力更大，從而減緩膨脹速度。但事實並非如此。
圖註：膨脹的宇宙。那麼，最大的問題是為什麼。為什麼暗能量的存在——無論是以宇宙學常數的形式還是以非常接近它的形式——意味著隨著宇宙的不斷膨脹，遙遠的星系正以越來越快的速度加速遠離我們？
不管你信不信，答案是因為我們生活在一個受愛因斯坦定律支配的宇宙中，我們必須遵循這些定律告訴我們的，甚至是其中違反直覺的部分。1915年，愛因斯坦首次提出了他最偉大的理論，廣義相對論。人們立即開始研究這一理論的後果。
圖註：宇宙各向同性。1916年，卡爾·史瓦茲旭爾得（KarlSchwarzschild）提出了一個非旋轉黑洞的解決方案。其他的解決方案很快就出現了：對於一個空宇宙；對於引力波；對於宇宙常數本身。但最重要的進展出現在1922年，當時亞歷山大弗裡德曼（AlexanderFriedmann）導出了一個充滿能量的宇宙的一般解，這個宇宙既各向同性（在所有方向上都是相同的）又均勻（在空間的所有位置上都是相同的）。
圖註：第一弗裡德曼方程（現代形式）。暗能量可以看作是一種具有恆定能量密度的能量形式，也可以看作是宇宙常數，但它存在於方程的右側。即使在今天，他推導的兩個方程仍然被稱為弗裡德曼方程，幸運的是，我們只需要研究第一弗裡德曼方程，就可以了解宇宙是如何膨脹的，這取決於宇宙中有什麼形式的能量。方程中的第一項——最左邊的一項——是哈勃膨脹率（平方）：測量空間結構在任何時刻拉伸的速度。
方程式中的所有其他項表示以下各項的組合：
所有的事情，所有的輻射，所有的中微子，所有的暗能量（如果它是宇宙常數的話，這是最後一項），所有你能想像的能量形式，其次是倒數第二個術語——空間曲率量——由所有形式的能量與膨脹速率的平衡或不平衡程度決定。
圖註：在一個由物質（頂部）、輻射（中部）和宇宙常數（底部）控制的宇宙中，能量密度是如何隨時間變化的。請注意，暗能量的密度不會隨著宇宙的膨脹而改變，這就是為什麼它會在後期主宰宇宙。這個方程告訴我們，由於暗能量密度仍然是一個恆定的，如果暗能量是真實的，膨脹率永遠不會降到一定程度以下。暗能量密度項是一個常數，因此當宇宙膨脹到足以使其他一切的密度變得可以忽略不計時，膨脹率也會達到一個常數。對於我們的宇宙，這意味著膨脹率永遠不會下降到大約55公裡/s/Mpc以下：大約其現值的80%。
如果暗能量沒有引力，它就不能促進宇宙的能量密度或宇宙的膨脹。第一弗裡德曼方程向我們展示了宇宙是如何膨脹的，以及膨脹如何隨著時間的變化，但它沒有解釋為什麼。但是第二個弗裡德曼方程——我們使用的要少得多——確實如此：它是廣義相對論對牛頓F=ma的模擬，它和我們通常對事物的看法有根本的區別。
圖註：宇宙的膨脹是加速還是減速，不僅取決於宇宙的能量密度（ρ），而且還取決於各種能量成分的壓力（p）。對於暗能量這種壓力很大且為負的物質，宇宙會隨著時間的推移而加速，而不是減速。你會立即注意到最大的不同是膨脹率隨時間變化的方式，這是在第二弗裡德曼方程中編碼的（以一種複雜的方式），不僅取決於能量密度，而且取決於你在宇宙中擁有的任何東西的壓力。就物質而言，壓力是可以忽略的，只要它的移動速度比光速慢。對於輻射來說，壓力是正的，這意味著膨脹率比物質本身的膨脹率慢得多。
但是對於暗能量，壓力不僅是負的，它是輻射壓力正的三倍。對於暗能量，壓力實際上等於能量密度的負值，因此標度因子的二階導數（決定加速與減速）從物質或輻射主導的宇宙中以符號形式翻轉。當暗能量佔主導地位時，宇宙不是減速而是加速。
圖註：有大量的科學證據支持宇宙膨脹和大爆炸的圖景，包括暗能量。這就導致了一個更加違反直覺的結果：隨著宇宙的不斷膨脹，暗能量意味著我們可觀測體積中包含的能量總量總是在增加。然而，正如它所做的，宇宙不是減速，而是加速。所有物理學中最神聖的定律——能量守恆定律——只適用於靜態時空中相互作用的粒子。當宇宙膨脹（或收縮）時，能量不再守恆。
空間結構本身具有一定數量的能量，但是能量密度的影響被產生的負壓的影響所淹沒。宇宙的膨脹並不是因為暗能量的存在而減慢，而是因為它的累積效應，遙遠的星系會越來越快地消失。對於任何超越我們本地群體的事物，它的命運已經被封印：它將以越來越快的速度消失，直到我們在加速的宇宙中無法再接近它。