图1：宇宙的物质成分。 暗能量约占总成分的68%。 （www.fas37.org）
然而，这种占据宇宙大部分空间的暗能量与其他物质具有完全不同甚至难以置信的特性。 与暗物质的粒子特性不同，暗能量通常被认为是能量状态的形式。 它最显著的特点是具有“负压”的排斥作用，可以看作是“普遍排斥力”或“反重力”。 正是由于这种奇特的性质，暗能量自提出以来一直备受争议，像宇宙幽灵一样在物理学和天文学中徘徊。
从理论上讲，暗能量理论可以追溯到阿尔伯特·爱因斯坦。 宇宙学常数是暗能量最重要的候选者之一，由阿尔伯特·爱因斯坦于 1917 年提出，目的是平衡引力场方程以获得当时普遍接受的“稳态”宇宙。 然而，随后的研究发现，这个常数的加入并不能使宇宙保持“稳定”，而是在小扰动下加速膨胀或收缩。 特别是1929年，埃德温·哈勃首次观测到宇宙的膨胀，并证实了宇宙的“不稳定”特性。 当爱因斯坦得知这一发现时，他后悔了，并称宇宙学常数是他“最大的错误”。
图2：宇宙膨胀历史示意图。 观测表明，晚期宇宙开始以逐渐加速的速度膨胀。 （*www.cantorsparadise.com/）
然而，戏剧性的是，爱因斯坦的“最大错误”是迄今为止对绝大多数宇宙学观测的最简单、最一致的解释！
虽然暗能量占宇宙能量成分的大部分，但由于它充满了整个宇宙，它的密度极低（约10减去30克厘米），比常温常压下的空气密度低1000亿倍！ 在如此低的密度下，在实验室中检测和研究暗能量的性质显然是不现实的。 因此，目前对暗能量的探测主要集中在大天体区域大样本的宇宙学观测上，即希望通过大尺度统计，尝试在非常大的尺度和大量的样本上探测暗能量的性质。
早在20世纪80年代和90年代初，通过对星系团和球状星团的观测，结合暴胀理论，人们就开始意识到，宇宙中的一般物质组成可能只占宇宙总质量的一小部分，并间接推断出应该有一种“排斥”的能量占据了宇宙的很大一部分， 也就是说，暗能量。1998年和1999年，美国两个观测小组，即索尔·珀尔马特和亚当·里斯，分别利用观测到的IA型超新星（SN IA）数据，精确测量了宇宙中不同红移的距离，发现宇宙目前正处于加速膨胀的阶段！
图3：IA型超新星的示意图。 白矮星通过吸收超过钱德拉塞卡极限的伴生物质而猛烈喷发，形成SN IA。 SNIA喷发相对一致，可以用作测量距离的“标准烛光”。 （*esa）
这被认为是暗能量存在的直接证据。 这是因为，除了暗能量之外，根据广义相对论的计算，宇宙中的其他物质或能量在宇宙尺度上都会受到引力的支配，也就是说，它们会因为引力而相互吸引。 在这种情况下，宇宙只能以更快的速度膨胀（或收缩），除非有某种“排斥力”，否则没有办法加速膨胀！
在进一步的宇宙学观测中，通过目前多种宇宙学观测方法和探测器，如宇宙微波背景辐射（CMB）、重子声波振荡（BAO）、弱引力透镜等，发现暗能量的能量密度不随时间发生显著变化。 换句话说，随着宇宙的膨胀，暗能量不会像普通物质一样因为体积的增加而被“稀释”，而是会保持“浓缩”不变。
这种“无中生有”的奇特现象并不意味着违反了能量守恒定律。 根据广义相对论，物质的压力也是一种“能量”（即活动张量的一部分）。 只要暗能量的压力p为负，绝对值正好等于能量密度r（即状态方程w=p rc2等于-1，c是光速），这种现象是可以允许的。 而这正是宇宙学常数的本质。
宇宙学常数最直观的物理等价物之一是“真空能量”或“零点能量”。 这很容易理解，因为真空能量或零点能量，就像宇宙学常数一样，在空间中均匀分布，能量密度不随时间变化。 真空能量的影响可以在卡西米尔效应等实验中观察到，卡西米尔效应已被物理学家广泛接受。 从逻辑上讲，随着宇宙的膨胀，真空增加，真空能量的能量密度不变，所以宇宙中的真空能量也相应增加。 这与观测到的暗能量的性质是一致的。
图4：真空“量子海”示意图。 （*nasa/cxc/m.weiss）
然而，目前宇宙学常数存在巨大的理论挑战。 根据目前的观测，宇宙学常数的能量密度不超过每立方米减去9焦耳。 而根据量子力学的估计，真空能量的理论值应该高于每立方米113焦耳10，即观测值至少比理论值小122个数量级！ 如此巨大的差异提出了一个问题，即当前的量子力学理论是否大错特错，或者暗能量实际上不是宇宙学常数或真空能量。
因此，暗能量的另一大理论也被提出来，那就是标量场暗能量。 标量场暗能量理论的基本思想是引入一个标量场，该标量场可以随时间演化，与物质场的耦合最小，并描述这个标量场的潜力，并以这种方式解释宇宙的加速膨胀。 在宇宙早期暴胀理论中也提出了类似的想法，但驱动暴胀的标量场与后期驱动宇宙加速膨胀的标量场之间的关系在理论上并不明确。
与宇宙学常数或真空能量不同，标量场暗能量可以随时间演变，在空间上可以不均匀分布，并且可以表现为不同强度的“吸引力”或“排斥力”，具体取决于其动能和势能项的相对大小。 因此，与宇宙学常数相比，理论上有更多的“自由度”，可以避免宇宙学常数中的“微调”和“重合”问题。
在标量场暗能量模型中，quintessence、phantom 和 quintom 是被广泛讨论的标量场暗能量模型。 这些模型基本上基于状态方程 w>-1，w
图5：不同暗能量对宇宙结果的影响。 如果暗能量是宇宙学常数，宇宙将继续以加速的速度膨胀; 在幻影的情况下，宇宙会在“疯狂”的膨胀加速中造成“大撕裂”; 如果暗能量的密度在未来某个时候开始显着下降，可能会导致宇宙“大紧缩”。 （nasa/gsfc）
也许其中最不可思议或最“疯狂”的是幽灵般的黑暗能量。 在此模型中，状态 w 的方程始终小于 -1。 这意味着暗能量的能量密度既不会与宇宙学常数保持一致，也不会像暗能量的本质那样逐渐降低，而是会随着宇宙的膨胀而继续急剧增加，从而进一步推动宇宙膨胀！ 这种“正反馈”机制最终将导致宇宙的膨胀速率在有限的时间内趋近无穷大（因为它是空间膨胀，所以与相对论并不冲突），即宇宙的“大撕裂”。 到那时，宇宙中的星系、恒星，甚至分子、原子、亚原子粒子，最终都会被撕裂，不复存在，最终宇宙会因为这个“幽灵”而处于“疯狂”膨胀的不可理解的状态！
当然，除了标量场暗能量之外，还提出了许多暗能量模型。 例如，K-essence通过动能项驱动宇宙的加速膨胀，超光速子，其质量是虚数，总是超过光速，Chaplygin气体，既可以用作暗物质，也可以用作暗能量，以及受量子引力理论启发的全息暗能量。
通过上面的讨论，我们可以理解，暗能量在解释宇宙加速膨胀和大尺度结构演化方面无疑是成功的，但它作为一种新的能量形式在理论上也受到了挑战。 目前还没有令人信服的物理理论可以完全解释暗能量的起源和本质。
另一方面，它不一定是导致宇宙加速膨胀的额外物质或能量，但也可能是由于引力与我们目前在太阳系或子尺度上测量的引力几乎不相同，例如星系或宇宙。 正是由于这种差异，才有可能在大规模上产生与广义相对论不同的结果，甚至引起宇宙的加速膨胀。 基于这种可能性，对当前广义相对论的修改，即对引力理论的修改，原则上是宇宙加速膨胀的可能解释。
图6：对各种引力理论分类的主要修改示意图。 （*shankaranarayanan & johnson, 2022, general relativity and gr**itation, 54, 44）
目前对引力理论的修改主要是为了修改广义相对论，例如，通过引入一个附加场与规范张量耦合，它可以是标量场、向量场和张量场。 或者假设一些基本的定律和理解可以被打破，比如引入额外的维度，破坏洛伦兹不变性，引入“非局域性”等; 也可以假设引力子具有静态质量，而不是自旋为 2 的静态无质量粒子，依此类推。
当然，对引力理论进行不同修改所产生的现象和效果是不同的，也有不同程度的暗能量理论的预测。 因此，未来的地面和空间望远镜需要精确测量不同的现象和效应，准确区分不同的理论模型，并高精度地测试广义相对论。 未来的下一代宇宙巡天观测目前正在如火如荼地进行，包括太空中的欧几里得望远镜（EUCLID）和罗马望远镜（RST）、中国的巡天太空望远镜（CSST）和地面上的鲁宾天文台（LSST）。
暗能量存在吗？ 它的本质是什么？ 相信未来凭借强大的观测能力和多种探测手段，我们一定能够解开宇宙幽灵暗能量的奥秘。
引用。 1]eisenstein, d. j. et al., 2005, apj, 633, 560-574
2]gong, y. et al., 2019, apj, 883, 203
3]percival, w. j. et al., 2007, mnras, 381, 1053-1066
4]perlmutter s. et al., 1999, apj, 517, 565
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6]planck collaboration, 2020a, a&a 641, a6
7]planck collaboration, 2020b, a&a 641, a8
8]riess, a. g. et al., 1998, apj, 116, 1009-1038
9]riess, a. g. et al., 2004, apj, 607, 665
作者：翡翠黄瓜喜欢吃薯片，经常触电。
主编：陈学磊。
审查：何佳。
评论：田斌。
批准：陆叶。
*：中国科学院国家天文台。
编辑：SDK