暗能量

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。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。当天文学家埃德温·哈勃发现宇宙中的其它星系似乎都在向着距离人们生活的银河系越来越远的方向移动。而且它们移动的越远，运行的速度就越快。但是，天体物理学家此前曾经指出，地心引力会使得宇宙的膨胀速度逐渐减缓。之后在1998年，两个研究小组通过观察Ia型超新星—种罕见的恒星爆炸的现象，能够释放出数量巨大的，持久的光——颠覆了天体物理学家提出的理论。

通过仔细测量来自这些活动的光是怎样向着可见光谱中红色的一端变化的——类似于当火车汽笛声离你越来越远时，声调也会越来越低的“多普勒效应”。“真空”（有科学家认为“真空”不空）空间本身似乎也在作为一种能够将物质分离开来的力量起作用。

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。

关于暗能量概念的起源，还得追溯到科学巨匠爱因斯坦他在1915年的相对论中提出一组引力方程式，方程式的结果都预示着宇宙是在做永恒的运动，这个结果与爱因斯坦的宇宙是静止的观点相违背，为了使这个结果能预示宇宙是呈静止状态爱因斯坦又给方程式引入了一个项，这个项称之为的“宇宙常数”。

1997年12月，作为“大红移超新星搜索小组”的成员的哈佛大学天文学家罗伯特·基尔希纳根据超新星的变化显示，宇宙膨胀速度非但没有在自身重力下变慢反而在一种看不见的、无人能解释的、神秘力量的控制、推动下变快，人们只是猜测：所处的这个宇宙可能处于一种人类还不了解、还未认识到的继目前物质的固态、液态、气态、“场态”之后另一种物质状态的物质控制、作用之下，这种物质不同于普通物质的一切属性及其存在和作用机制，这种“物质”因其绝对不同于人们所熟知的普通物质态，故尔科学家为了区分它们暂且将它称之为“暗物质”、将其具备的作用称之为“暗能量”，“暗物质”就成为当今天文学界、宇宙学界和物理学界等等科学界中最大的谜团之一。

人们经过哈勃空间望远镜观测发现，事实上宇宙是在不断膨胀着的并且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符合，爱因斯坦得知“实际上的宇宙是在膨胀着的”这个消息后非常后悔，因此他认为：“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误！”现在看来，他的结论下得过早。此后那个“宇宙常数”便被人们所遗忘，后来的一次天文探测宇宙可能在加速膨胀，这就预示着宇宙中存在着某种“巨大的东西”，此后这个“宇宙常数”被赋予“暗能量”的含义。

当科学家们一再通过各种的观测和计算证实，暗能量在宇宙中的确约占到73%暗物质约占到23%普通物质仅占到4%，这可是一个惊人的数字和消息，这将预示着人们看到的宇宙、认识到的宇宙只占整个宇宙的4%的比例，而占96%(57年诺贝尔奖得主李政道先生甚至还认为是99%以上)的东西竟然是不为我们所知道的。关于暗物质和暗能量的客观存在性1957年诺贝尔奖得主李政道先生在他所著的《物理学的挑战》中已经详细而全面的论证了。

在新世纪之初美国国家研究委员会发布一份题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的研究报告，科学家们在报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重，“暗物质”的本质问题和“暗能量”的性质问题在报告所列出的11个大问题中分列为第一、第二位。

美国航天局在轨道中运行的威尔金森微波仪探测卫星收集到的材料也证明超新星在发生同样的变化。这些变化的含义的确令科学家忐忑不安，因为这将预示着爱因斯坦、霍金等理论家可能都错了，影响并决定整个宇宙的力量不是引力和重力等已知作用力，而是以“宇宙常量”形式存在的“暗能量”和“暗物质”。

综上所述可以看出，所有矛盾的焦点都集中在真空是否具备力的属性这个问题上，如果真空一旦被证明具备力的属性，那么“真空力”就成为独立于万有引力、电磁力、强力和弱力之后在自然界中普遍存在着的第五种自然作用力即“第五种力”；那么真空就是物理学史上已经被抛弃的“以太”；而“以太”其实就是真空的某一种效应；那么真空也就是那个占整个宇宙96%以上的份额并控制着整个宇宙的神秘能量—“暗能量”，这一切的一切就因为真空有力而变为现实、变为可知的。故尔真空是否具备力的属性也就成为本文的核心中的焦点。

宇宙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。在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。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。

“暗能量”相比较暗物质更是奇特的有过之而无不及，因为它只有物质的作用效应而不具备物质的基本特征，所以都称不上物质故尔将其称之为“暗能量”，“暗能量”虽然也不被人们所感觉也不被目前各种仪器所观测，但是人们凭借理性思维可以预测并感知到它的确存在。由于微波背景辐射的细致观测(WMAP的精密数据，SupernovaeIa的数据)，呈现以下一些惊人的观测结果和数据：

a、宇宙年龄是137±2亿年

b、哈勃常数是0.71±公里/秒/Mpc

c、宇宙呈现以下结构，宇宙总质量(100%)≌重子+轻子(4.4%)+热暗物质(≤2%)+冷暗物质(≈20%)+暗能量(73%)，而总密度Ω0=1.02±0.02，亦即恰好差不多等同于平直空间所要求的临界密度。（这个公式的意思是，在整个宇宙中我们目前所看到的星系只占整个宇宙的约4%左右，其余约96%的物质都是我们看不见、不了解的东西。）

d、“暗能量”将呈现一些前所未有的一些全新的性质：物质的状态方程由P=Wρn所表示，(其中P是压力，ρ是密度，W是某一常数，n是某一数值)，普通物质W≥0，P≥0，ρ≥0，这就意味着物质所产生的压力表现为正数、正值。

暗能量的发现过程极富戏剧性。按照宇宙大爆炸理论，在大爆炸发生之后，随着时间的推移，宇宙的膨胀速度将因为物质之间的引力作用而逐渐减慢，就像缓慢踩了刹车的汽车一样。也就是说，距离地球相对遥远的星系，其膨胀速度应该比那些近的星系慢一些。

但1998年，美国加州大学伯克利分校（UCBerkeley）物理学教授、劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）高级科学家索尔皮尔姆特（SaulPerlmutter），以及澳大利亚国立大学布赖恩施密特（BrianSchmidt）分别领导的两个小组，通过观测发现，那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。 换句话说，宇宙是在加速膨胀，仿佛一辆不断踩油门的汽车，而不是像此前科学家所预测的那样处于减速膨胀状态。

这样一个完全出乎意料的观测结果，从根本上动摇了对宇宙的传统理解。是什么样的力量在促使所有的星系或者其他物质加速远离，科学家们将这种与引力相反的斥力来源，称为“暗能量”。至今能够给出的，只是一个十分粗略的宇宙结构“金字塔图景”： 所熟悉的世界，即由普通的原子构成的一草一木、山河星月，仅占整个宇宙的4%，相当于金字塔顶的那一块。

下面的22%，则为暗物质。这种物质由仍然未知的粒子构成，它们不参与电磁作用，无法用肉眼看到。但其和普通物质一样，参与引力作用，因此仍可能探测到。 作为塔基的74%，则由最为神秘的暗能量构成。它无处不在，无时不在，由于我们对其性质知之甚少，所以科学家还不清楚如何在实验室中验证其存在。惟一的手段，仍然是通过天文观测这种间接手段来了解其奥秘。

对Ia类型超新星（supernova）的爆发进行观测，则是目前最主要观测手段。这种超新星是由双星系统中的白矮星（whitedwarf）爆炸形成的，亮度几乎恒定。这样，通过测量其亮度，就可以知道其和地球之间的距离，进而了解其速度。^[1]

通过对遥远星系团发出的X射线进行观测和分析，欧洲航天局科学家最近得出了与暗能量理论不符的结果。不过专家指出，新结果是否意味着人们一直探讨的宇宙暗能量“或许并不存在”，仍需更多的观测研究来证明。

爱因斯坦的广义相对论做出过暗能量的假设。据推测，不可见的暗能量可能占据了宇宙质量的大部分，能够产生与引力相反的排斥力，这也许可以解释为什么宇宙会出现加速膨胀现象。

关于暗能量理论现在仍有争论。一些科学家认为，要验证暗能量是否存在，办法之一是比较各星系团中炽热气体的比例。星系团由成百上千个星系组合而成，其半径达数百万光年。星系团的特点之一是其中有大量炽热气体，温度在1000万到1亿摄氏度之间。

欧洲航天局的XMM牛顿天文望远镜最近捕捉到了古老的遥远星系团发出的X射线。科学家对此进行分析后得出了这些古老星系团中炽热气体所占的比例。他们将这些数据与距地球最近也就是最年轻的星系团中炽热气体所占比例进行了比较，结果发现二者没有差别。 科学家认为，只有假设宇宙中没有暗能量才能解释这一现象。^[2]

2010年8月，美国宇航局的科学家宣布，在暗能量的作用下，宇宙的确是无限膨胀的，同时宇航局也对外表示，此后将不在宇宙是否存在暗能量这一问题上进行研究。

美国宇航局的科学家通过哈勃望远镜，观察了在130亿光年外的Abell 1689星系团。这个星系团被认为是人类观测宇宙的“放大镜”，Abell 1689其重力非常强大，像一个巨型变焦透镜一样可以使通过其附近的光弯曲，放大我们的观测物体。

通过Abell 1689星系团，科学家们发现在暗能量的作用下，那些遥远的星系不断的发生弯曲，或者呈现弧形的图像，这意味着在暗能量的作用下，宇宙是处于一种不断膨胀的状态。而这也佐证了宇宙的确存在暗能量。

21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。

暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。

宇宙之外可能有很多宇宙

围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。

暗物质是谁最先发现的

1915年，根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。

一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。

还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

Abell 2390星系团(右上半图)和MS2137.3-2353星系团(右下半图)，距离我们约有20亿光年远。图右半方的影像，是哈勃太空望远镜所的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。

因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已。

在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”。^[1][3][2][4]

 一个国际研究团队对宇宙历史关键变革时期进行了新的阐释，通过测量1万多个星系的精确距离，探测到60亿年前暗能量是影响宇宙加速膨胀的主要驱动力。相关研究发现与爱因斯坦的广义相对论和宇宙常数理论完全一致。^[5]