暗能量——宇宙加速膨胀的推手？

子夜荷塘

“暗能量”占据了宇宙成分的绝大部分，含量超过70%。它的本质仍然是谜，或许还是今天的物理学面临的最大谜题

宇宙有3/4的能量是一种未知的能量，被称为暗能量。与同样未知的暗物质一样，这些“暗势力”构成了宇宙的95%。只有余下的5%是普通物质，它们构成了星系、恒星、花花草草，以及我们人类。

有人说世界将终结于烈火，有人说将终结于寒冰……2011年的诺贝尔物理学奖获得者通过仔细研究几十颗遥远星系之中被称为“超新星”的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨胀的结论。宇宙的膨胀始于140亿年前的大爆炸，但在最初几十亿年里，宇宙膨胀的速度是越来越慢的。但最终，它开始加速膨胀。这种加速被认为是由暗能量驱动的，这种暗能量起初只占宇宙的一小部分。但随着物质在宇宙膨胀过程中逐渐稀释，暗能量变得越来越显著。即便是对这些获奖者而言，这项发现也完全出乎他们的意料。他们看到的现象，就好比是把一个小球抛向了空中，却没有看到它落回来，反倒看着它越来越快地上升，最终消失在了空中，仿佛引力无法逆转小球上升的轨迹一般。类似的事情似乎发生在整个宇宙当中。宇宙膨胀的这种加速度暗示，在蕴藏于空间结构中的某种未知能量的推动下，宇宙正在分崩离析。

暗能量是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量的斥力和万有引力来推动的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因为它在宇宙的结构中约占73%，占绝对统治地位。暗能量这样一种充溢空间的、具有负压强的能量，其实只是科学家们的猜想。只不过这个猜想是现阶段解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最理想的方案。“暗能量”的奇特之处在于，它只有物质的作用效应而不具备物质的基本特征，而且“暗能量”也不能被人们所感觉和目前各种仪器所观测到。

对暗能量理论上的猜测可追溯到爱因斯坦年代，1915年爱因斯坦提出了广义相对论，这是自牛顿时代以来第一次出现的重力理论。1917年，他将广义相对论公式应用到整个宇宙，想看看能否获得对宇宙本质的新认识。世界上的物理学家、数学家随即开始解其中的引力方程，方程有两种解，结论是宇宙不会完全静止，宇宙没有静止点。

方程的第一种解是，如果宇宙只存在引力，没有别的力作用的话，出于相互吸引，宇宙不可能静止。

方程的另一种解是，宇宙爆炸的那一瞬间获得了一个初速度，向外膨胀，但由于引力作用往回拉，宇宙肯定越胀越慢，所以宇宙不是膨胀就是收缩，不可能静止。

爱因斯坦觉得从哲学思想上分析，这两种解都不合适，按他的想法宇宙应该是静止的，不能永不停息的运动。因此，爱因斯坦又向广义相对论引力方程中引入了一项“宇宙常数”。这个宇宙常数起排斥力的作用，有了该常数之后，引力方程同时具备了引力和斥力，正好能够达到平衡，可让宇宙“静止”下来。

上世纪20年代，美国著名天文学家哈勃经过观测发现，宇宙确实是在不断膨胀，他根据星系的距离和运行速度证实，离我们越远的星系向外运动的速度越快，这是宇宙正在膨胀的表现。这一观测结果完全与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相契合，迅速得到了世界上绝大多数科学家的认可。爱因斯坦本来是想把宇宙“静止”下来，但实际的宇宙是在膨胀着。他认为：“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误！”

但爱因斯坦提出的“宇宙常数”并未被科学家们遗弃，一小部分科学家此后在将观测结果与理论进行对比的时候，常常会把此常数捎带上。如果计算结果显示“宇宙常数”等于0，就证明该数确实不能用；反之，就证明爱因斯坦引入一个常数的思路是对的。

1998年，天文学家们在南极用80万立米气球搭载微波探测器在空中控测了宇宙微波背景下扰动的大量样本，探测从各个方向袭击地球的持续的电磁声波。这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射。得出的结论是：“宇宙常数”不等于0，且在整个宇宙中所占比例还很大。此后，“宇宙常数”正式被称为“暗能量”。

“宇宙常数”是个常数，是一个不随时间变化的参数。因此，随着物质在宇宙几十亿年来的膨胀过程中逐渐被稀释，物质的引力也会越来越弱，暗能量就会逐渐占据上风。按照科学家的说法，这可以解释为什么“宇宙常数”直到宇宙历史中相当晚的一个时期，也就是五六十亿年前，才逐渐开始发挥作用。大约在那一时期，物质的引力减到了比宇宙学常数还弱的地步。而在那一时期之前，宇宙的膨胀确实是一直在减速。

“宇宙常数”可能源自于真空，按照量子物理学的观点，真空从来就没有真的空过。相反，真空是一锅不断翻滚的量子汤，正反物质的虚粒子不断产生又不断消失，从而产生出能量。然而，对暗能量数量最简单的估算，与空间中测量到的暗能量数量却完全不符，足足大了大约10^120倍（1后面跟120个零）。这成了横亘在理论与观测之间的一条至今无解的巨大鸿沟——要知道，地球上所有海滩上的沙粒加在一起，也不过只有10^20（1后面跟20个零）。

也许，暗能量根本就不是常数。或许它会随时间变化。或许一种未知的力场只是偶尔产生了暗能量。在物理学上，许多这样的力场被统称为“精质”，得名于希腊文的“第五元素”。精质可以加速宇宙膨胀，但只是有时候如此。这样一来，预言宇宙最终命运就成了一件不可能完成的事情。

不管暗能量是什么，它似乎都会继续长期存在下去。它与物理学家和天文学家研究了很长时间的宇宙学谜题符合得非常完美。2011年诺贝尔物理学奖的发现，向科学界揭露了一个95%的成分仍然未知的宇宙。现在，一切又皆有可能了。