仰望星空，穿過層層蔽障來透視宇宙，當(dāng)我們把所有的星系、恒星、氣體、塵埃、暗物質(zhì)以及所有其他形式的物質(zhì)和輻射加在一起，其總能量與暗能量相比仍然相形見絀。言下之意：真空中擁有的能量比宇宙中其他形式的能量總和要多的多的多！那么我們想問：宇宙你到底怎么了?今天我們就聊一下關(guān)于暗能量的13個(gè)大問題。

哈勃深空?qǐng)觯▓D片我有裁剪）

當(dāng)我們的視線越過太陽系，穿過銀河系中的恒星、塵埃和星云，進(jìn)入廣闊的星際空間，我們看到了什么？

沒錯(cuò)！我們看到了一個(gè)直徑約920億光年的球狀區(qū)域(可觀測(cè)宇宙)，其中至少存在2000億個(gè)星系，而我們直徑約10萬光年的銀河系只是其中的一葉孤舟。

在上圖所示的一小塊哈勃深空?qǐng)?/strong>中就有大約8700個(gè)星系。這些星系中的每一個(gè)都包含著數(shù)千億顆恒星。這些星系每一個(gè)都像我們的銀河系一樣，而這僅僅是我們目前所能看到的，920億光年外的宇宙我們一無所知，并且在以后我們也不可能比現(xiàn)在看得更遠(yuǎn)！（為什么會(huì)這樣呢？這個(gè)不是今天的主題。有興趣的伙伴戳下方鏈接：宇宙年齡138億年，為什么我們能看到460億光年物體發(fā)出的光

2度視場(chǎng)星系紅移調(diào)查

然而，如果繪制出宇宙中我們目前已知的一切，并追蹤宇宙結(jié)構(gòu)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)由所有已知的基本粒子組成的普通物質(zhì)，還不到宇宙總能量密度的5%。其中大概有20-25%的能量是以暗物質(zhì)的形式存在的，暗物質(zhì)是一種由尚未發(fā)現(xiàn)的粒子組成的不可見物質(zhì)，用以解釋星系，星系團(tuán)和宇宙中疑似違反牛頓萬有引力定律的現(xiàn)象。

但最奇怪的是，宇宙剩余的能量，是真空本身固有的能量:暗能量。

普朗克任務(wù)的結(jié)果

目前關(guān)于宇宙學(xué)存在的問題很多，關(guān)于占宇宙三分之二的暗能量到底是什么？它對(duì)我們的宇宙有何影響?

Q1、膨脹宇宙中的暗能量從何而來?它似乎違反了能量守恒定律。

如果真空有一種固有的能量，它導(dǎo)致了空間發(fā)生膨脹，從而創(chuàng)造了更多的空間，能量密度又不會(huì)改變。那么這是不是違反了能量守恒定律?似乎暗能量在宇宙中可以無中生有。

宇宙膨脹是否也意味著，輻射能量在不斷膨脹的宇宙中，也不守恒呢?因?yàn)檩椛涞拿芏入S著宇宙體積的增大而減小;隨著宇宙的膨脹輻射的波長被拉長，能量會(huì)降低。

如果只是這樣思考，那么猛一看能量確實(shí)不守恒。但是廣義相對(duì)論下，這兩種情況的答案都是否定的。

暗能量不僅有能量密度，它還具有非常特殊的負(fù)壓性質(zhì)，輻射不僅有能量密度，也具有自身特殊的正壓性質(zhì)。當(dāng)暗能量的負(fù)壓向外推動(dòng)宇宙時(shí)，暗能量對(duì)宇宙做負(fù)功，輻射做正功。它們所做的功完全等于任何一塊空間中質(zhì)量/能量的變化。所以只要在宇宙中考慮到做功的這個(gè)定義，我們就可以用能量守恒的方式定義暗能量和輻射能量。

Q2、暗能量是什么？怎樣定義？

讓我們先回顧一下“暗能量”的由來。當(dāng)物理學(xué)家觀察到宇宙在均勻加速膨脹時(shí)，推測(cè)導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是空間中存在著一種能量，它能提供足夠的負(fù)壓或反引力來推動(dòng)宇宙膨脹，并且具有均勻的能量密度。

暗能量最簡單模型是愛因斯坦所說的宇宙常數(shù)，其中負(fù)壓強(qiáng)正好等于能量密度的負(fù)值乘以光速平方[ P = - ρ c^2 ]。這與我們今天所有的最佳觀測(cè)數(shù)據(jù)完全一致。但暗能量的表現(xiàn)形式或模型可能更加復(fù)雜：暗能量可能不完全滿足上述方程的負(fù)壓，它也可能只是一個(gè)常數(shù)(目前限制在大約0.88和1.12之間)

關(guān)于暗能量的模型還包括：標(biāo)量場(chǎng)（即一個(gè)能量密度隨時(shí)空變化的動(dòng)力學(xué)場(chǎng)，如：第五元素和?？臻g） 精質(zhì)（quintessence）模型、幽靈（phantom）模型等，張新民和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)教授李淼也分別提出了精靈（quintom）和 全息 （holographic）模型。

以上的這些假設(shè)模型，著實(shí)太復(fù)雜，根本搞不懂?。〈蟾帕私庀轮烂Q就行。但是記住一點(diǎn)，迄今沒有證據(jù)表明暗能量需要比宇宙常數(shù)更復(fù)雜的模型來解釋。

Q3、暗能量和基本粒子之間是否存在已知(或理論懷疑)的聯(lián)系?對(duì)暗能量的檢測(cè)有什么可信的實(shí)驗(yàn)方法嗎?”有沒有一種合理的方式，無論是在地面上，還是在太陽系的尺度上，能夠直接檢測(cè)到它?

以上問題的答案完全取決于暗能量是否與基本粒子有著本質(zhì)的聯(lián)系。如果有的話，我們只需要一個(gè)足夠強(qiáng)大的對(duì)撞機(jī)就可以創(chuàng)造出這種粒子，并找到一種方法來區(qū)分中微子等物質(zhì)的“缺失能量”。

但大多數(shù)暗能量模型，包括宇宙常數(shù)模型，都沒有與之相關(guān)的粒子。如果暗能量沒有一個(gè)與粒子相關(guān)的場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)它，那么我們研究暗能量的希望將變的遙不可及，因?yàn)槲覀兏揪蜔o從著手。大多數(shù)暗能量模型除了與空間膨脹有關(guān)外，目前沒有發(fā)現(xiàn)暗能量與其他已知的粒子發(fā)生相互作用。也就是說，我們所熟知的物理學(xué)原理，對(duì)暗能量的檢測(cè)根本不起作用也不適用。

Q4、宇宙空間如此平坦，在數(shù)億年的膨脹中宇宙是如何進(jìn)入這一階段的？

在宇宙學(xué)中空間曲率和能量密度是緊密相關(guān)的:我們通過測(cè)量宇宙的膨脹率就可以知道空間正彎曲和負(fù)彎曲之間平坦宇宙的臨界能量密度（上圖中間部分）；測(cè)量不同形式能量的能量密度，然后和臨界能量密度來比較，以確定空間曲率。據(jù)我們的測(cè)量所知，宇宙的實(shí)際平均能量密度（包括暗能量在內(nèi)）與臨界密度難以區(qū)分，這就是為什么我們的宇宙曲率與平面難以區(qū)分的原因。

所以我們宇宙的空間曲率就是上圖中間部分，如果更準(zhǔn)確的說，那就是可觀測(cè)宇宙的曲率是平坦的，至于整體宇宙可能存在更大的曲率我們無法觀測(cè)到而已，就像我們站在地球上想看地球是不是圓的一樣，我們?cè)趺纯炊际瞧降?。關(guān)于空間曲率問題，也就是宇宙的形狀問題，想了解的小伙伴戳連接哈：我們?nèi)绾沃烙钪娴男螤詈痛笮。?/a>

Q5、暗能量是光的最后階段嗎?那么暗能量會(huì)是輻射嗎?

輻射以光子的形式存在，通常是一種以光速運(yùn)動(dòng)的無質(zhì)量粒子。我們目前對(duì)光的性質(zhì)可以說是了如指掌，因?yàn)槲覀內(nèi)祟惖目茖W(xué)發(fā)展就是從了解光的本質(zhì)開始的。它確實(shí)對(duì)宇宙的膨脹速度做了一定的貢獻(xiàn)，但輻射具有正壓性質(zhì)，它會(huì)導(dǎo)致宇宙膨脹減緩而不是加速。這也適用于所有形式的輻射，包括任何以光速運(yùn)動(dòng)的無質(zhì)量粒子以及非常接近光速的大質(zhì)量粒子。所以任何已知的粒子和輻射能量都不是暗能量，輻射的正壓強(qiáng)表示為：P = +1/3 ρ c^2。

另一方面，暗能量的存在導(dǎo)致了輻射紅移的速度加快。所以在我們的宇宙中，暗能量的存在實(shí)際上也使得宇宙微波背景輻射對(duì)宇宙命運(yùn)的重要性大大降低!

Q6、我們?cè)鯓永斫獍的芰浚?/h1>

曾經(jīng)有一位(非常暴躁的)物理學(xué)家這樣形容暗能量

“宇宙給我們開了一個(gè)巨大的玩笑”

也許想象暗能量最好方法是把它想成一種流體，在任何時(shí)候都能滲透到所有的空間。隨著宇宙的膨脹，創(chuàng)造了更大的空間，新空間具有與舊空間相同的屬性。在“宇宙常數(shù)”一詞中，常數(shù)部分指的是能量密度，與物質(zhì)和輻射粒子不同的是，暗能量密度不會(huì)隨著宇宙的演化而稀釋。這是空間本身固有的屬性，那么為什么會(huì)這樣呢？我們目前還不清楚。這個(gè)說法可能讓人很不滿意，但沒辦法這是數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家告訴我們的關(guān)于暗能量最好的結(jié)果。

Q7、為什么稱它為‘黑暗能量’？

能量部分不像“黑暗”部分那么困擾我們。能量部分是空間固有的零點(diǎn)能量，實(shí)際上它是一個(gè)正的非零值。我們稱之為“真空能量”或者稱為“量子真空”。

關(guān)于“黑暗”呢，我們應(yīng)該也知道暗能量和暗物質(zhì)一樣，作為兩暗兄弟，確實(shí)是宇宙中的偽裝大師。我們無法檢測(cè)到它們，所以稱為“暗”最合適不過了，你說呢？

Q8、如果宇宙在加速膨脹，那么等量的反作用力在哪？

答案其實(shí)就是“暗能量”本身!加速膨脹與暗能量不同。一種是現(xiàn)象，另一種是能量的形式。宇宙的加速膨脹是一個(gè)反應(yīng)，而暗能量是這個(gè)反應(yīng)的原因，它對(duì)我們的空間做負(fù)功，它本身只是一個(gè)作用。

像上面的氣球一樣，氣球向上的運(yùn)動(dòng)是氣體向下做功的原因。如果氣球向上加速運(yùn)動(dòng)卻沒有氣體向下快速噴出，有氣體噴出氣球卻沒有動(dòng)，這是明顯是違反常理的。如果我們看到氣球向上加速運(yùn)動(dòng)，我們肯定就能知道有氣流向下提供了反作用力，事實(shí)上這就是我們知道宇宙中存在暗能量的原因。

Q9、暗能量是自然的基本力嗎

就我們目前所知，暗能量不像電磁力、弱力或強(qiáng)力那樣是一個(gè)單獨(dú)的力。它只是引力的一部分，最初由廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)。宇宙常數(shù)作為引力的一部分，它可以是包括0在內(nèi)的任何數(shù)值，但我們的宇宙目前似乎只有一個(gè)特定的值。至于為什么是這樣，搞清楚這個(gè)問題，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就是你的了!

但無論如何，它不是一個(gè)額外的力，只是廣義相對(duì)論引力的一個(gè)方面，恰好具有它所具有的特定性質(zhì)。

Q11、暗能量會(huì)不會(huì)是新以太呢？

暗能量和以太不同之處在于，很久以前假設(shè)的以太是一種光傳播的物理介質(zhì)，是一個(gè)通用的靜止框架，可以被任意拖拽和修改。當(dāng)光穿過它時(shí)，根據(jù)光的方向和位置，以太會(huì)以不同的方式影響光的傳播。

除了空間的膨脹率，如果宇宙中沒有暗能量，我們所能測(cè)量的任何物理數(shù)據(jù)都不會(huì)有任何的變化。雖然暗能量似乎與古老的以太有一個(gè)共同點(diǎn)，都是均勻地滲透到所有的空間，無處不在。但它既不是首選的參照系，也不是任何東西依賴的媒介。

Q12、正在產(chǎn)生的新暗能量是否強(qiáng)大到足以克服星系之間的引力

我們目前生活在一個(gè)引力和暗能量相互作用的時(shí)期，一方面，宇宙中所有的物體都受到其他物體的引力吸引，另一方面，暗能量在“推動(dòng)”著空間膨脹，使已經(jīng)膨脹的物體加速遠(yuǎn)離對(duì)方。

在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，所有已經(jīng)被引力束縛在一起的東西，包括我們和我們所在的星系群，以及一個(gè)大星系團(tuán)中的所有單個(gè)星系，都將保持目前這種狀態(tài);在這些尺度上，暗能量將被引力所取代。

但在更大的尺度上，那些尚未彼此結(jié)合的星系和星團(tuán)將永遠(yuǎn)不會(huì)在引力的作用下相互靠攏，它們將隨著宇宙繼續(xù)膨脹而加速遠(yuǎn)離彼此。

Q13、為什么我們這么在乎暗能量，這對(duì)我們的未來有什么好處？

想象一下我們夜空中的一切，恒星、星系和星云！幾十億年后，我們的銀河系將于與仙女座星系合并，仙女座是我們所在星系群中唯一的一個(gè)大型星系，我們合并后的巨大橢圓星系最終將吞噬臨近的三角座星系，然后是圍繞我們運(yùn)行的其余矮星系。屆時(shí)我們的天空會(huì)剩下什么:一個(gè)空無一物的、黑暗的星際真空。

上面的圖片中，如果用暗能量的方式移除所有的星系，只會(huì)留下我們自己星系的前景恒星，看下圖。

由于暗能量作用，每一個(gè)星系、星系群、星系團(tuán)和超星系團(tuán)都將從我們可觀測(cè)的宇宙中消失。這是我們整個(gè)宇宙不可避免的命運(yùn)。

那么了解暗能量對(duì)我們?nèi)祟愑惺裁春锰?我們知道了當(dāng)下正是人類探索宇宙的最佳時(shí)機(jī)，因?yàn)槲覀兊淖訉O后代不會(huì)比我們現(xiàn)在看到更遠(yuǎn)星系，也不會(huì)比我們看到更多的星系。

假如，人類是在一萬億年后第一次出現(xiàn)，他們永遠(yuǎn)不會(huì)知道宇宙微波背景、遙遠(yuǎn)的星系、星團(tuán)，也不會(huì)在夜空中看到一個(gè)任何一個(gè)“螺旋星云”。那時(shí)的人類一定一臉懵，黑暗的夜空什么也沒有，我們?cè)谀模课覀冊(cè)诟墒裁?？他們永遠(yuǎn)不會(huì)知道。因?yàn)榘的芰繒?huì)加速推離一切。即使離我們最近的大型室女座星系群也將從我們視野中消失。

這就是我們?nèi)祟愡@么在乎暗能量的原因。趁所有的東西都還在的時(shí)候就好好享受我們的星空吧，因?yàn)槊繒r(shí)每刻，我們只會(huì)變得更加孤獨(dú)!