仰望星空，穿過層層蔽障來透視宇宙，當我們把所有的星系、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于暗能量的13個大問題。
哈勃深空場（圖片我有裁剪）
當我們的視線越過太陽系，穿過銀河系中的恒星、塵埃和星云，進入廣闊的星際空間，我們看到了什么？
沒錯！我們看到了一個直徑約920億光年的球狀區(qū)域(可觀測宇宙)，其中至少存在2000億個星系，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場中就有大約8700個星系。這些星系中的每一個都包含著數(shù)千億顆恒星。這些星系每一個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！（為什么會這樣呢？這個不是今天的主題。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。
普朗克任務的結(jié)果
目前關于宇宙學存在的問題很多，關于占宇宙三分之二的暗能量到底是什么？它對我們的宇宙有何影響?
如果真空有一種固有的能量，它導致了空間發(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?因為輻射的密度隨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，能量會降低。
如果只是這樣思考，那么猛一看能量確實不守恒。但是廣義相對論下，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)。當暗能量的負壓向外推動宇宙時，暗能量對宇宙做負功，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。
讓我們先回顧一下“暗能量”的由來。當物理學家觀察到宇宙在均勻加速膨脹時，推測導致這種現(xiàn)象的原因是空間中存在著一種能量，它能提供足夠的負壓或反引力來推動宇宙膨脹，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)，其中負壓強正好等于能量密度的負值乘以光速平方[ P = - ρ c^2 ]。這與我們今天所有的最佳觀測數(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雜：暗能量可能不完全滿足上述方程的負壓，它也可能只是一個常數(shù)(目前限制在大約0.88和1.12之間)
關于暗能量的模型還包括：標量場（即一個能量密度隨時空變化的動力學場，如：第五元素和?？臻g） 精質(zhì)（quintessence）模型、幽靈（phantom）模型等，張新民和中國科學技術(shù)大學物理學教授李淼也分別提出了精靈（quintom）和 全息 （holographic）模型。
以上的這些假設模型，著實太復雜，根本搞不懂?。〈蟾帕私庀轮烂Q就行。但是記住一點，迄今沒有證據(jù)表明暗能量需要比宇宙常數(shù)更復雜的模型來解釋。
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，我們只需要一個足夠強大的對撞機就可以創(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，都沒有與之相關的粒子。如果暗能量沒有一個與粒子相關的場來驅(qū)動它，那么我們研究暗能量的希望將變的遙不可及，因為我們根本就無從著手。大多數(shù)暗能量模型除了與空間膨脹有關外，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原理，對暗能量的檢測根本不起作用也不適用。
在宇宙學中空間曲率和能量密度是緊密相關的:我們通過測量宇宙的膨脹率就可以知道空間正彎曲和負彎曲之間平坦宇宙的臨界能量密度（上圖中間部分）；測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)我們的測量所知，宇宙的實際平均能量密度（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，如果更準確的說，那就是可觀測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，我們怎么看都是平的。關于空間曲率問題，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>
輻射以光子的形式存在，通常是一種以光速運動的無質(zhì)量粒子。我們目前對光的性質(zhì)可以說是了如指掌，因為我們?nèi)祟惖目茖W發(fā)展就是從了解光的本質(zhì)開始的。它確實對宇宙的膨脹速度做了一定的貢獻，但輻射具有正壓性質(zhì)，它會導致宇宙膨脹減緩而不是加速。這也適用于所有形式的輻射，包括任何以光速運動的無質(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，輻射的正壓強表示為：P = +1/3 ρ c^2。
另一方面，暗能量的存在導致了輻射紅移的速度加快。所以在我們的宇宙中，暗能量的存在實際上也使得宇宙微波背景輻射對宇宙命運的重要性大大降低!
曾經(jīng)有一位(非常暴躁的)物理學家這樣形容暗能量
“宇宙給我們開了一個巨大的玩笑”
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，那么為什么會這樣呢？我們目前還不清楚。這個說法可能讓人很不滿意，但沒辦法這是數(shù)學家和物理學家告訴我們的關于暗能量最好的結(jié)果。
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能量，實際上它是一個正的非零值。我們稱之為“真空能量”或者稱為“量子真空”。
關于“黑暗”呢，我們應該也知道暗能量和暗物質(zhì)一樣，作為兩暗兄弟，確實是宇宙中的偽裝大師。我們無法檢測到它們，所以稱為“暗”最合適不過了，你說呢？
答案其實就是“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反應，而暗能量是這個反應的原因，它對我們的空間做負功，它本身只是一個作用。
像上面的氣球一樣，氣球向上的運動是氣體向下做功的原因。如果氣球向上加速運動卻沒有氣體向下快速噴出，有氣體噴出氣球卻沒有動，這是明顯是違反常理的。如果我們看到氣球向上加速運動，我們肯定就能知道有氣流向下提供了反作用力，事實上這就是我們知道宇宙中存在暗能量的原因。
就我們目前所知，暗能量不像電磁力、弱力或強力那樣是一個單獨的力。它只是引力的一部分，最初由廣義相對論所預測。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特定的值。至于為什么是這樣，搞清楚這個問題，諾貝爾物理學獎就是你的了!
但無論如何，它不是一個額外的力，只是廣義相對論引力的一個方面，恰好具有它所具有的特定性質(zhì)。
暗能量和以太不同之處在于，很久以前假設的以太是一種光傳播的物理介質(zhì)，是一個通用的靜止框架，可以被任意拖拽和修改。當光穿過它時，根據(jù)光的方向和位置，以太會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，我們所能測量的任何物理數(shù)據(jù)都不會有任何的變化。雖然暗能量似乎與古老的以太有一個共同點，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。
我們目前生活在一個引力和暗能量相互作用的時期，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”著空間膨脹，使已經(jīng)膨脹的物體加速遠離對方。
在這個時間點上，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，以及一個大星系團中的所有單個星系，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)合的星系和星團將永遠不會在引力的作用下相互靠攏，它們將隨著宇宙繼續(xù)膨脹而加速遠離彼此。
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，然后是圍繞我們運行的其余矮星系。屆時我們的天空會剩下什么:一個空無一物的、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，每一個星系、星系群、星系團和超星系團都將從我們可觀測的宇宙中消失。這是我們整個宇宙不可避免的命運。
那么了解暗能量對我們?nèi)祟愑惺裁春锰?我們知道了當下正是人類探索宇宙的最佳時機，因為我們的子孫后代不會比我們現(xiàn)在看到更遠星系，也不會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)，他們永遠不會知道宇宙微波背景、遙遠的星系、星團，也不會在夜空中看到一個任何一個“螺旋星云”。那時的人類一定一臉懵，黑暗的夜空什么也沒有，我們在哪？我們在干什么？他們永遠不會知道。因為暗能量會加速推離一切。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候就好好享受我們的星空吧，因為每時每刻，我們只會變得更加孤獨!
