暗能量对人类有什么用

宇宙学中，暗能量是某些人的猜想，指一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论，这种负压强在长距离类似于一种反引力。如今，这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。

暗能量主要有两种模型：宇宙学常数（即一种均匀充满空间的常能量密度）和quintessence（即一个能量密度随时空变化的动力学场）。区分这两种可能需要对宇宙膨胀的高精度测量和对膨胀速度随时间变化更深入的理解。因为宇宙膨胀速度由宇宙学物态方程来描写，所以测量暗物质的物态方程是当今观测宇宙学的最主要问题之一。

暗能量它是一种不可见的、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。暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右，所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的73％。值得注意的是，对于通常的能量（辐射）、重子和冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。

宇宙的运动都是旋涡型的，所以暗能量总是以一种旋涡运动的形式出现。所以，在暗能量的旋转范围内能形成一种旋涡场,我们称之为暗能量旋涡场，简称为旋涡场。我们用En来表示太阳系的暗能量，用Ep来表示物质绕太阳系中心运动的总动能。当En=Ep时，太阳系旋涡场处于平衡状态，它既不会膨胀也不会收缩。但当En衰退时，太阳系旋涡场就会收缩，太阳系中所有的行星就会向太阳靠近。

要提及暗能量，我们不得不先提及另外一个和它密切相关的概念——暗物质，之所以将其称之为暗物质而不是物质就是因为它与一般的普通物质有着根本性的区别。普通物质就是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看的见、摸得着的东西，小到原子、大到宇宙星体，近到身边的各种物体远到宇宙深处的各种星系。普通物质总是能与光或者部分波发生相互作用或者在一定的条件下自身就能发光、或者折射光线，从而被人们可以感知、看见、摸到或者借助仪器可以测量得到，但是暗物质恰恰相反，它根本不与光发生作用更不会发光，因为不发光又与光不发生任何作用，所以不会反射、折散或散射光即对各种波和光它们都是百分之百的透明体！所以在天文上用光的手段绝对看不到暗物质，不管是电磁波、无线电还是红外射线、伽马射线、X射线这些统统都毫无用处，故尔不被人们的感知所感觉也不被目前的仪器所观测，故此为了区分普通物质和这种特殊的物质而将这种特殊的物质称之为“暗物质”。

什么是暗能量呢？

我们知道，暗物质其实是提供引力作用的，是星系的粘合剂，如果没有它们，星系将会分崩离析。而暗能量和暗物质的作用完全不同，它其实提供的是一种斥力，作用在全宇宙就是空间膨胀的效果。那究竟是咋回事呢？

我们要从宇宙大爆炸说起，宇宙大爆炸之后，空间在开始膨胀。

这种膨胀的效果其实可能和大家想象的会不太一样，它是空间在膨胀，而且是等比例的。星系由于空间膨胀也会发生退行。这就好比一个人坐电梯远离你，电梯就是空间，而这个人就是天体。

你可能会说，这种效果有没有证据呢？实际上是有的，这是天文学家哈勃发现的。所以，也叫做哈勃红移。这里的红移其实说的就是星系的退行。

但是退行归退行，膨胀归膨胀。科学家就一直闹不明白一个问题，宇宙中的物质之间存在的是引力作用，那么在引力作用下，宇宙最终应该是会收缩回到一个点的。这要咋理解呢？

我们可以假象你向上扔一个球，球会因为引力的作用慢慢减速，最后落回到你的手里。所以，宇宙膨胀应该类似于小球，一开始膨胀是有个初速度，但是引力一直在消耗这个初速度，也就是说宇宙应该在之后是减速膨胀的，然后空间达到一个极大值之后，这时候空间膨胀速度为0，最后开始收缩。

但是很多事情不能光靠脑子去思考，科学和其他学科最大的不同之处在于，它十分注重过程和实践。到底对不对要拉出来遛一遛才知道。

于是，真的有科学家开始研究这个问题，可是不研究不知道，一研究真的是吓一跳。1998年，由两个科学小组分别独立发表了他们观测1a型超新星的情况。这个结果表面，

宇宙在距今46亿年前开始发生加速膨胀。

惊不惊喜，意不意外？那些预测要减速膨胀后要收缩的科学家简直是啪啪啪打脸，这两个科学小组的科学家还在2011年获得了诺贝尔物理学奖。

这和理论的出路是在太大，促使宇宙开始加速膨胀的到底是什么？科学家也是一脸懵X。因此，他们无奈之下只能假设存在一种东西，它提供了斥力，促使宇宙开始加速膨胀。

于是，我们的宇宙模型，从大爆炸模型，也演化成了暗能量-冷暗物质模型。相信，在未来对于暗能量的研究也会引发一次科学的革命。

而暗能量的存在告诉我们，我们能看到的星体会越来越少。这是因为，按暗能量可以使得星体离我们越来越远，这还是加速的，而且空间膨胀的速度是不受光速的限制的。（毕竟空间不是物质，信息，能量）

所以，很有可能很多年以后，我们可能只能看到银河系，然后渐渐地银河系也看不到了，太阳开始分崩离析。

作者：石兰（抄袭必究）

随着天文科学的进步，我们清晰的认识到宇宙中的所有物体，都正在以恒定的速度远离周围的一切，地球也并不是宇宙的中心，宇宙一直处于不断加速的膨胀过程之中。早在20年前，科学家们就提出了暗能量这种无形的力量，它就像是藏匿于时空结构中的一种被压抑的能量形式，可以揭示宇宙膨胀加速的原因。与此同时，将其用于构建更完善的宇宙模型，能够揭示各种事物的演化，包括从大爆炸时期到现代大规模星系结构的形成。我们应该如何追踪暗能量随着时间发生了怎样的变化，这种神秘的能量形式又是否可以决定我们的未来？

暗能量占据着宇宙质量的四分之三左右，与重力相反是其最具有代表性的特征之一，它与暗物质之间并没有直接关联，除了“黑暗”这个词本身，但其仅代表了它们自身的未知属性。众所周知，暗能量并不是一种通过直接观察发现的能量形式，而是科学家从宇宙物体之间的引力相互作用中推断得出。后来，暗能量衍生出了两种模型，分别是标量场和宇宙学常数，前者可释义为一个能量密度随时空变化的动力学场，后者则表示了一种均匀充满空间的常能量密度。但是，由于在空间上变化的标量场变化太缓慢，因而难以将其从宇宙常数中分离出来。

之所以会出现暗能量这种力量的假设，是因为科学家们在观察中发现宇宙随着时间的推移出现了加速膨胀。并且，目前的宇宙膨胀速度比以往任何时候都更快，这跟所有人之前所预期的完全相反，这意味着必须有一股力量在抵抗向内引力。简而言之，宇宙中存在一个实体，它正在迫使宇宙发生引力作用之外的加速，虽然我们并不知道它具体是什么。尽管暗能量的发现并不奇怪，但却引发了更多其他的问题，比如，我们自己的存在，不过是无数世界中恒定和条件不同的世界之一。并且，科学家们都认为在寻求理解未来宇宙的过程中，暗能量的本质会起到决定性作用。

在宇宙结构和演化常用到的天体物理模型中，科学家们将暗能量视为常数、甚至是宇宙常数，爱因斯坦将其作为广义相对论的重要部分。然而，科学家们在对类星体的大型黑洞研究过程中发现，暗能量可能是被误传为任何类型的常数，并表示在宇宙诞生的138亿年后，这股力量可能已经发生了一些不同的变化。位于星系中心的超大质量黑洞快速生长，散发出宇宙中最明亮的光度，类星体就起源于围绕黑洞旋转的这些物质盘。当旋转圆盘产生的紫外线在附近的热气云中撞击电子，便会在多个波长的高能光线中产生强大的光，紫外线辐射通过两者之间的相互作用被提升到了X射线水平。而科学家们通过观察位于大爆炸后仅十亿年的类星体发现，当时宇宙的扩张速度比预期的速度更快，也就是说这股黑暗的能量，可能随着宇宙的变老而变得更加强烈。

通过这两种不同类型光之间的相关性，可从太空船探测到的类星体X射线光分析物体的紫外线输出，并且，科学家从中获取到了类星体之间的距离信息。在此之前，研究人员对于宇宙扩张速度的研究，往往都是依赖于“标准蜡烛”（超新星爆炸），通过光线红移拉伸的波长来确定其相对于地球的移动速度。但强大的超新星却没有类星体明亮，导致较远距离观察的难度较高，因此，这样的发现为科学家们提供了另一种意义上的标准蜡烛，并且，这种方法和过去90亿年来超新星测量的结果吻合，它可以在更广泛的时间内评估宇宙的扩张情况。新结果和超新星之前的观察结果一致，但若将其与早期宇宙进行比较，之前的工作觉察到了明显加速的膨胀率，这样的差异可能需要一种新的物理学内容来解释，因为这包含了暗能量增加的可能性。

在已经过去的数千年中，人类一直想要了解宇宙的形成过程，虽然宇宙学这个精确的研究领域诞生并没有多长的时间。我们开始不再局限于分析某些恒星或星系，而是将问题上升到诸如宇宙来自于哪里，为什么它会拥有如此多的天体构造，以及接下来的宇宙将会发生怎样的事件。而宇宙视野中最大的动荡发生在20世纪20年代，科学家们通过哈勃的探测发现，空间中各个方向的星系都正在离我们远去，通过宇宙微波背景的测量也证明了，宇宙已经从小而热的状态变得越来越大，这便预示着我们的宇宙也有所谓的开始和结束，而不是处于曾经以为的永恒不变状态。

但宇宙中的物体并不都像星系运动一般可供观测，宇宙学中最具有震撼性的变化之一，便是那些完全不可见的东西，并且它们占据了宇宙质量的绝大部分。保持这些星系在一起的东西，除了引力之外，是一种完全不与普通物质和光相互作用的独立存在。比如，暗能量这种神秘的能量，并没有通过引力让宇宙变得更加聚集，相反，它正在推动宇宙的加速分离。这些具有里程碑性的发现都被归纳到了Lambda-CDM模型，即宇宙学标准模型，一组用于描述宇宙的方程。科学家表示，现在的我们处于宇宙 历史 的转折点，即从物质主导新能源的地方，宇宙的过去被暗物质所左右，而暗能量却能很大程度上决定我们未来的走向。

宇宙正在膨胀，越来越快的膨胀——暗能量发现者索尔·珀尔马特访谈

通过发现它在加速膨胀，索尔·珀尔马特正在改变我们对整个宇宙的认识。

有一些科学家他们的工作永远地改变了我们对宇宙的看法。索尔·珀尔马特（Saul Perlmutter）就是其中之一，他在1998年发现暗能量中起到了核心作用。暗能量是一种无形的能量，在宇宙万物中的比例高达73%，正是它在拉伸空间结构并且导致宇宙在加速膨胀。通过他的开创性研究，这位当时38岁、在美国劳伦斯伯克利国家实验室工作的物理学家彻底颠覆了我们的宇宙模型。

科学家们长久以来一直认为，组成恒星、行星和人的原子占据着宇宙的主导。现在人们普遍认为，这些物质其实只占5%，和驱动空间膨胀的神秘反引力能比起来相形见绌。宇宙中其余的22%是暗物质，它和暗能量无关，但目前的探测手段还没有直接探测到它。科学家们也曾经一直认为，宇宙膨胀要么会在无穷长的时间里一直减速下去，要么最终会停止膨胀继而开始坍缩。珀尔马特的发现迫使他们重新思考这个问题，宇宙会一直膨胀下去，甚至最终还会出现所有恒星和星系都被撕开的“大撕裂”。

自1998年以来珀尔马特一直致力于完善对宇宙加速膨胀和暗能量的测量。关于难以捉摸的暗能量的理论大量涌现，而珀尔马特则热衷于寻求观测证据来帮助寻找有关的答案。在这里他将告诉我们他奇怪的发现、对暗能量的最新观点以及正在试图探究暗能量属性的观测计划。

问：是什么研究动机导致你在1998年发现了暗能量？

答：20世纪20年代，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）发现宇宙正在膨胀。但紧接着就产生了更多的问题。宇宙会一直膨胀下去吗？它会停止膨胀吗？也许它会调头并开始坍缩。我们如何才能知道宇宙是否会永世存在下去？当你说我们住在一个不断变化、膨胀的宇宙中时，有些明显的事情你会想知道。而回答这些有关未来的问题的方法则是回首过去。

问：那你是如何从宇宙膨胀的历史来触及这样一个复杂的问题的呢？

答：其基本思想是，当你所看到的距离越远，你就越深入过去。在一些20世纪30年代的早期论文中，就有人提出用超新星——极为明亮的爆炸中的恒星——来测量宇宙的膨胀，因为它们的光度大致是相同的。如果每个超新星的辐射功率几乎完全一样的话，那么你就可以用它们的亮度来确定出它们到地球的距离。但事实证明，你观测的超新星越多，其中不同类型的也就越多，这种一致性就不复存在了。直到20世纪80年代，科学家发现，超新星中有一类被称为Ia型超新星的，它们的光度具有非常高的一致性。幸运的是，它们同时也是超新星中最明亮的，因此即使是在很远的距离上也能看到它们。

问：超新星是怎样揭示出宇宙在膨胀的？

答：我们利用Ia型超新星做为距离的标尺。然后就是搞清楚自每个超新星爆炸以来宇宙膨胀了多少。Ia型超新星发出的几乎所有光都集中在一个特定的蓝色波长上。但是，当这些蓝光在传播的过程中，由于宇宙的膨胀它们会被拉伸，所以在它们到达我们的时候就会看起来呈红色（波长更长）。这些光线看起来有多红就怎么告诉了你自这个超新星爆炸以来宇宙究竟膨胀了多少。观测不同的超新星，你就能够确定出50亿年、30亿年或者10亿年前宇宙有多大，由此就能确定出宇宙是如何随着时间而膨胀的。人们原先预期，由于宇宙中所有的物质之间都通过引力相互吸引，因此随着时间的推移，宇宙的膨胀将会减速。而我们却发现，宇宙的膨胀实际上是在加速。

问：宇宙正在越来越快加速膨胀的重要性在哪儿？

答：这说明宇宙并没有我们想象得那么简单。物质并不会导致宇宙膨胀的加速，它们只会令其减速。于是，我们立刻就知道了，宇宙中还存在其他东西。事实证明，宇宙中的大部分物质是以真空中某种能量的形式所出现的，而且它们还表现出了排斥的奇怪特性。也正是它导致了宇宙的加速膨胀。我们不知道它究竟是什么，但现在人们使用“暗能量”这个词来描述它的神秘属性。

问：你的这些研究结果是突然一下子冒出来的吗？

答：嗯，这是个有意思的问题。这可能是历史上最慢的“突然一下子”，它花了几个月时间才“冒出来”。原因是这其中的数据分析工作其实相当得复杂，而在得到真正好的数据之前还有许多校准的步骤要做。另一方面，当我第一次去报告这些数据结果的时候，在我的演讲结束之后，著名宇宙学家乔尔·普里马克（Joel Primack）站起来说，他只是想向在场的物理学家指出，这是一个了不起的、绝对让人大吃一惊的结果。在那一刻我也感受到了，没错，这确实令人震惊。

问：现在科学家们是如何试图来解释暗能量的？

答：爱因斯坦最初在他的广义相对论方程中加了一个Λ项，以此来抵消引力的影响并构建一个静态的宇宙。哈勃所发现的宇宙膨胀使得爱因斯坦深信这个Λ项是不必要的。但后来人们认识到，在量子力学中Λ可以很容易地用真空中粒子的自发出现和消失来解释。这些粒子被称为虚粒子，与它们不断出现和消失相关的能量便成为了我们了解真空能的来源。不幸的是，如果你计算一下这个能量的大小的话，得到的数字会比实际测到的大10的120次方（1后面120个0）倍。这无疑是个大问题。因此，通常假定这里必定存在一个完美的抵消机制，可以使得最后的差等于0。但是，现在我们看到，结果并不正好等于0。我想大多数的粒子物理学家认为我们需要新的解释。

问：这些解释是什么？

答：一种解释是，暗能量是一个标量场，它的特点是在空间每一点它会从这个数值“滚动”到另一个数值。虽然在滚动，但它的能量足以驱动宇宙加速膨胀。或者也许是爱因斯坦给出的广义相对论方程式并不完美，还需要一点点的修改。另一个有趣的解释是可能存在额外的维度，引力会渗透到那些不可见的维度里。在过去10年里，每个星期都会新出两到三篇解释暗能量的论文。但如果你问我这些理论家是否相信他们所提出的模型就是答案，我想他们几乎每个人都会说：“不，我只是想尝试一下不同的想法，希望由此能得到一些线索。”然后，他们又会转向我们这些观测天文学家寻求更多的数据。

问：那么我们会如何进一步去了解暗能量的实质？

答：一个很好的例子是近距超新星工厂，这个观测项目已经发现了500多颗可以用来探测暗能量属性的Ia型超新星。我还参与了由美国航天局和美国能源部共同资助的联合暗能量任务。它计划发射一颗卫星来寻找超新星，此外还会研发其他技术来探索暗能量的影响。如果我们能够做一个真正好的项目，那么在若干年之内就会有新的发现，对此我很乐观。我们所需的是正确前进方向的一些暗示。我认为理论家都非常有创造力，最终会给出一个解答，但目前还没有头绪。暗能量可以是任何东西。

问：自宇宙大爆炸以来，宇宙的膨胀和暗能量的影响是如何变化的？

答：对于宇宙学家而言，在宇宙大爆炸之后10-35秒左右的极早期有一个被称为暴涨的时期。暴涨是另一个宇宙加速膨胀期，而我们也还不知道是什么导致了这一加速。有可能在当时还有另一种形式的暗能量。暴涨之后引力占据了主导，使得膨胀放缓。这一直持续了大约70亿年，此后宇宙中的物质过于分散无法再制约膨胀。此时，暗能量开始发力，宇宙膨胀也由此再次开始加速。

问：这一发现对宇宙的命运而言意味着什么？暗能量会减小吗？

答：你可以简单地说，由于现在的宇宙正在加速，所以这意味着它会永远加速下去，最终导致一个非常黑暗、空荡、冰冷的结局。但是应该记住，我们并不知道是什么导致了当前的加速，我们也不知道是什么在宇宙的极早期引发了暴涨时期的加速。暴涨最终停了下来，宇宙随之也开始减速。谁知道我们现在看到的加速是不是也会停止，然后宇宙开始坍缩。所以，我要说的是，除非我们搞清楚了宇宙加速膨胀的原因，否则宇宙的命运将始终是个未知的谜。

（本文修改版已刊载于《天文爱好者》杂志2010年第10期）

[Discover (the Extreme Universe) 2010年2月22日]