看不見摸不到的暗能量居然掌握了宇宙的終極命運?

已經有138億年宇宙，在孕育我們的同時，卻又像一個老頑童，總是藏著各種秘密，吸引著我們去一一探知，要說最惹人好奇的，暗能量絕對是其中之一。暗能量事關宇宙的歷史，也讓宇宙正在加速膨脹，那麼它為什麼能夠「掌控」強大的宇宙呢？一起來看看吧～

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星星初光 加速膨脹 一望鴻蒙萬山寒

圖1：光明與黑暗世界共譜著璀璨星空。

圖源：This image shows the distribution of dark matter, galaxies and hot gas in the core of the merging galaxy cluster Abell 520. Credit: NASA

人類文明的進化史，是一部揭秘世界的探索歷史。其中，人類所創造的具有代表性的一個奇蹟，便是15世紀至17世紀的全球地理大發現，也被稱為大航海時代。在這個充斥著不斷衝突與擴張、並極具戲劇性的探索歷程中，儘管人類付出了部分種族的文化滅絕、全球性的殖民戰爭等巨大代價，東西方的科學、技術、文化、貿易、政治生態等都發生了翻天覆地的變革，但人類也在真正意義上認知了自己所生活的這枚藍色星球。

時至今日，歷史的腳步早已走進了21世紀。在過去的一個多世紀以來，人類通過科學探索逐漸建立了一個可以理解整個宇宙的物理圖像，即熱大爆炸宇宙學模型。然而，一如過往的歷史再現，人類認知宇宙的徵程也充滿著衝突與戲劇性。其中，最近三十年裡最令人驚嘆的大發現莫過於，1998年兩個獨立的天文觀測小組利用宇宙中的Ia型超新星作為標準燭光，然後通過距離越遠的物體發出來的光越暗淡的基本原理探知到，我們的宇宙正在加速膨脹。這成為了20世紀天文學上最重要的發現之一。

圖2：宇宙的歷史。

圖源：Elrie Bester saved to Space Science from printerest

為何該發現會如此令人關注和出乎意料呢？

我們不妨將歷史定格到1915年。這一年，愛因斯坦提出了一個驚世駭俗的基礎理論，用以描述我們人類所生活的這個世界應該遵循的萬有引力行為。這就是廣義相對論。在這個理論框架下，宇宙整體可以通過幾何的數學語言來進行描述。簡單來說，我們對宇宙整體的印象不應當是一片被焊接牢固的腳手架，而應該像橡皮膜一樣能屈能伸，能縮小能擴張。或者，打個更直觀的圖像比方，我們不妨把宇宙空間視為蒸屜裡面的一塊正在脹大的發糕，而世間萬物就如同附著在這個發糕裡面的芝麻一樣，跟隨著發糕不斷變大而不斷地遠離其他的芝麻。

圖3：膨脹的宇宙。

圖源：quantamagazine.org

根據廣義相對論，我們這塊「發糕」宇宙的動力學演化是由愛因斯坦給出的引力場方程來描述的。利用已知的物質種類，結合不斷進步的天文觀測技術來求解愛因斯坦引力場方程，我們人類便能夠求索和探尋宇宙的起源以及未來的命運。然而，不幸的是，所有已知的物質種類所給出的宇宙演化結果都無法實現當前宇宙正在加速膨脹的這一天文觀測事實——這對人類所掌握的理論構架產生了巨大的挑戰。

這一現象好比將一枚鉛球拋向空中正等待回落時，卻赫然發現它以越來越快的速度飛離出去，仿佛存在一種能抗拒萬有引力的黑暗力量將鉛球推開。而在整個宇宙尺度產生這種斥力的神秘起源，被稱為暗能量。暗能量一經發現，就在同一年被美國《科學》雜誌列為世界十大科技進展之首，此後更是折桂2006年邵逸夫天文學獎和2011年諾貝爾物理學獎等一系列國際大獎，成為物理學和天文學一直以來共同關注的焦點。

弱水銀河 真空不空 誰御輕舟過千帆

圖4：宇宙的真空並不空。

圖源：ROBIN DIENEL/CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE

之所以暗能量引起如此廣泛的關注，是因為它事關宇宙的歷史。通過天文觀測，我們可以推論它不僅存在於宇宙當中，還佔據了大約70%的比例。它與宇宙中的另一個神秘存在，即暗物質，在一起構建了總比分大約95%的黑暗世界。其中，暗能量努力將各個星系推開從而驅使宇宙愈加平坦，而暗物質則致力於將星系吸引在一起從而形成璀璨的大尺度結構。正是二者的完美合作，造就了如今所看到的如此波瀾壯闊的宇宙。

接下來要面對的一個重要問題則是，什麼是暗能量？

一種最簡單的設想就是，在愛因斯坦的引力場方程中引入的一個常數項，被稱為宇宙學常數，也叫做真空能。它的出現告知了人類，宇宙真空實際上並不是真的「空」，而是可以存在能量的，而真空的能量便可以成為驅動宇宙加速膨脹的動力。

有趣的是，這一設想最早就是由愛因斯坦本人於1917年提出的，當時在極度缺乏實驗觀測的條件下，人類曾誤認為宇宙是靜態的，因此愛因斯坦引入宇宙學常數是為了得到一個靜態的宇宙解。不過沒多久，哈勃等人發現了宇宙在膨脹，有關靜態宇宙的假定便被天文觀測所排除，愛因斯坦也就放棄了這個常數，並認為這是他「一生中最大的錯誤」。而在近一個世紀之後，當前宇宙加速膨脹的意外發現讓這個常數重新回到人類的視線當中，並被當作暗能量的有力候選者。

圖5：宇宙學常數——愛因斯坦的意外禮物。

圖源：britannica.com

儘管真空能的想法足夠簡單，並且與大部分天文觀測符合得很好，但它存在一些致命的困難。現階段的物理學中，除了描述引力現象的廣義相對論，人類還發展了一套描述量子世界微觀現象的量子場論，並在過去的一個世紀中同樣取得了前所未有的巨大成功。基於這一理論人們可以對宇宙中的真空能進行一個估算，但不幸的是，這比我們實際觀測到的結果高出120個數量級！這一巨大衝突，也就是著名的宇宙學常數問題，是當今物理學面臨的嚴峻考驗。因此，物理學家們戲謔地稱之為「物理學史上最糟糕的理論預言」。

此外，暗能量約佔宇宙總比分的70%，為了得到這一比例，在極早期的宇宙中暗能量所佔的比例要出奇得小（約為10的負100次方以上），計算機模擬的結果表明，只要極早期宇宙的暗能量比例稍微偏離這一結果，那麼當今的宇宙中暗能量的比分將大大偏離我們所觀測到的結果。這意味著，對宇宙的初始狀態要進行極其精密的微調才能解釋今天的觀測，這也讓我們對真空能的解釋產生了懷疑。

白雲流霞 模型萬千 夢回鶯啼春如畫

圖6：中國宇宙學家發出暗能量之聲。

圖源：Gong-Bo Zhao, NAOC and the University of Portsmouth

有關廣義相對論，理論學家洛夫洛克（Lovelock）有這麼一個論點，只要我們承認一些基本的原理，並要求理論符合一些自然而恰當的條件，那麼帶有宇宙學常數項的愛因斯坦場方程在邏輯上便是唯一的。儘管這限制了我們進行理論構造的自由，但也為我們跳出通常的理論框架提供了指導。也就是說，為了更好地解釋宇宙加速膨脹現象，人們需要跳出標準的愛因斯坦場方程與物質理論的認知框架。

在愛因斯坦理論中，一個只包含普通物質和暗物質的宇宙只能減速膨脹。而區別於它們的暗能量具備兩大基本特徵：壓強很負，且均勻分布幾乎不結團。基於這兩點科學家提出了各種猜想。此外，宇宙學家還利用暗能量的壓強與能量密度的比值來刻畫它的狀態，也就是暗能量的物態方程參數。為了實現宇宙加速膨脹，我們要求這個物態方程參數必須小於-1/3，考慮到通常物質的能量都為正數，這意味著該物質的壓強需要為負數，從而與我們常見的物質大不相同。例如我們前面提到的真空能，這個參數的取值正好等於-1。

除了真空能，宇宙學家們指出暗能量也可能是某種未知的動力學場，宇宙恰好在近期開始加速膨脹完全是暗能量場的動力學演化的自然結果。按照物態方程參數與-1的比較關係，這些動力學場的模型可以大致被分成三大類。

第一類叫做精質（Quintessence），所對應的物態方程參數大於-1。有趣的是，這一名稱源自於古希臘哲學的「第五元素」，當時的人類認為世界是由四種基本元素構成的，分別是：氣，水，火，土；而在今天的人類認知中，基本粒子可以分為夸克，輕子和中間玻色子，如果再加上暗物質作為第四種元素的話，那麼暗能量恰好就成了第五種元素，因此而得名Quintessence。

第二類被稱為幽靈（Phantom），所對應的物態方程參數小於-1。這個模型的背後也有一個十分有趣的故事，該模型的提出者Robert Caldwell是忠實的星戰迷，在受到了星戰前傳的第一部電影《魅影危機》（《Phantom Menace》）的影響下，他在一篇同名學術論文《魅影危機？》（《A Phantom Menace?》）中提出了這一設想。為了實現這種暗能量模型的設想，通俗說來我們需要場的動能項為負，而這與我們日常認知的物質場大相逕庭，因此它被冠以「幽靈」的稱號也就不奇怪了。

第三類暗能量模型的提出，本身就是一個很有趣的故事，宇宙學家突發奇想地將「精質」與「幽靈」這兩個理論設想結合在一起，並各取一個字從而提出了名為「精靈」（Quintom）的暗能量模型。在這種模型中，物態方程參數可以根據模型需要在宇宙演化中自由穿越-1的邊界，從而能給出更為豐富的動力學演化行為。

未完待續

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參考文獻

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作者簡介

蔡一夫，2010年於中科院高能所獲得理學博士學位。2012年在美國亞利桑那州立大學完成第一期博士後；2015年在加拿大麥吉爾大學完成第二期博士後。2015年入選中組部國家青年人才項目。2017年獲得基金委優青資助。現任中國科學技術大學天文學系教授。研究領域是粒子宇宙學。

主編：石碩

輪值主編：趙公博（國家天文臺研究員）

編輯：黃京一、蔡琳、柒柒