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暗能量的本質究竟是什么，目前仍是一個無法回答的問題。從宇宙學觀測結果來看，它是愛因斯坦的“最大錯誤”——宇宙學常數的候選者，然而理論上它與其物理對應的真空能與量子力學結果有著巨大差異，讓人懷疑它不是真空能。對此物理學家又提出了標量場暗能量模型，以期避免宇宙學常數所帶來的各種問題。但目前仍然沒有一種令人信服的物理理論可以完全地解釋暗能量的起源和本質。 撰文 | 鞏巖 暗能量是目前宇宙學和物理學的一大謎題。根據宇宙學觀測，目前宇宙中的物質或能量組成中普通物質（或重子物質）只占了約5%，而剩余的95%由暗物質和暗能量占據。其中，暗物質約占27%，而暗能量則占據剩余的68%。也就是說，當前宇宙中超過2/3的物質或能量是由暗能量構成的。  圖1：宇宙的物質組成。其中暗能量占了總組成的約68%。丨圖片來源：www.fas37.org 而這占據宇宙大部分組成的暗能量，卻具有與其他物質截然不同甚至可以說匪夷所思的性質。與暗物質的粒子屬性不同，暗能量通常認為是以一種能量狀態的形式存在的。其最顯著的特征是具有“負壓”的排斥力效應，可以看作“萬有斥力”或“反引力”。正是由于具有這種奇特的性質，暗能量從被提出便爭議不斷，如宇宙幽靈一般在物理和天文學中游蕩。 從理論上說，暗能量理論的提出可以一直追溯到艾爾伯特·愛因斯坦。宇宙學常數Λ，目前暗能量最主要的候選者之一，就是愛因斯坦于1917年為了平衡引力場方程來得到一個當時人們普遍接受的“穩態”宇宙而提出的。但隨后的研究發現，此常數的加入并無法使宇宙保持“穩定”，而是在微小的擾動下便會加速膨脹或收縮。特別是1929年埃德溫·哈勃首次觀測到了宇宙膨脹現象，更是確認了宇宙的“非穩態”屬性。愛因斯坦得知此觀測結果后非常后悔，將宇宙學常數稱為自己“最大的錯誤”（biggest blunder）。  圖2: 宇宙膨脹歷史示意圖。觀測表明，宇宙晚期開始逐漸加速膨脹。丨圖片來源：www.cantorsparadise.com/ 然而富有戲劇性的是，愛因斯坦的這一“最大的錯誤”卻是目前對絕大多數宇宙學觀測結果最簡單也是最為相符的解釋！ 雖然暗能量占據宇宙大多數能量組份，但由于充斥整個宇宙，其密度極低（約為10^（-30） g/cm^3），比常溫常壓的空氣密度低了一千億億億倍！在如此低密度的情況下，在實驗室中探測和研究暗能量的性質顯然是不現實的。因此，目前對暗能量的探測主要集中在大天區大樣本的宇宙學觀測中，即希望通過大規模統計在極大尺度和極多樣本中嘗試探測暗能量的性質。 早在20世紀80年代和90年代初，人們通過星系團、球狀星團等觀測，并結合暴漲理論，已經開始意識到宇宙中的一般物質組成可能只占宇宙總質量的一小部分，并間接推斷出宇宙中應該存在著一種占據很大組份的具有“斥力”的能量，即暗能量。在1998年和1999年，美國的兩支觀測團隊，即索爾·珀爾馬特團隊和亞當·里斯團隊，分別利用觀測的Ia型超新星（SN Ia）數據，較為精確的測量了宇宙不同紅移處的距離，發現宇宙目前正處于加速膨脹階段！  圖3: Ia型超新星示意圖。白矮星通過吸收伴星物質超過錢德拉塞卡極限而猛烈爆發，形成SN Ia。SN Ia爆發時光度比較一致，可以作為“標準燭光”來測定距離。丨圖片來源: ESA 這被認為是暗能量存在的一大直接證據。這是由于除了暗能量外，根據廣義相對論的計算，宇宙中的其它物質或能量在宇宙學尺度上都將被引力所主導，即會由于引力作用而相互吸引。在此情況下，宇宙只能減速膨脹（或加速收縮），絕不可能出現加速膨脹的情況——除非有某種“斥力”存在！ 在進一步的宇宙學觀測中，通過目前多種宇宙學觀測手段和探針，如宇宙微波背景輻射（CMB）、重子聲波振蕩（BAO）、弱引力透鏡等，發現暗能量的能量密度隨時間并沒有顯著的變化。也就是說隨著宇宙的膨脹，暗能量并不會像一般物質那樣會因為體積的增加而被“稀釋”，而是保持“濃度”不變。 這種“無中生有”的奇特現象并不代表違背了能量守恒定律。根據廣義相對論，物質的壓強也是一種“能量”（即能動張量的一部分）。只要暗能量的壓強p為負，且絕對值與能量密度r正好相等（即狀態方程w=p/rc^2等于-1，c為光速），就可以允許此現象的存在。而這正是宇宙學常數的性質。 宇宙學常數一個最直觀的物理對應就是“真空能”或“零點能”。這是非常容易理解的，因為真空能或零點能與宇宙學常數一樣，在空間中是均勻分布且能量密度不隨時間變化的。真空能的效應可以在卡西米爾效應（Casimir effect）等實驗中被觀測到，已被物理學家們廣泛接受。從邏輯上來說，隨著宇宙的膨脹，真空在不斷增加，而真空能的能量密度不變，因而宇宙中的真空能也在相應地不斷增加。這與觀測的暗能量性質是一致的。  圖4: 真空“量子?！笔疽鈭D。丨圖片來源：NASA/CXC/M.WEISS 然而，宇宙學常數當前存在著理論上的巨大挑戰。根據目前觀測，宇宙學常數的能量密度不會超過10^（-9）焦耳每立方米。而根據量子力學的估計，真空能的理論值應該高于10^113焦耳每立方米，即觀測值比理論值小了至少121個數量級！如此巨大的差異讓人們不禁懷疑是目前的量子力學理論錯的太過離譜，還是暗能量其實并不是宇宙學常數或真空能。 因此，另一種主要的暗能量理論也被提出，即標量場暗能量。標量場暗能量理論的基本想法是引入一個與物質場最小耦合的可以隨時間演化的標量場，以及描述這個標量場的勢，并以此來解釋宇宙的加速膨脹。與此類似的思想在關于宇宙早期的暴漲理論中就提出過，但驅動暴漲的標量場與后期驅動宇宙加速膨脹標量場之間的關系，目前從理論上來說還并不明確。 與宇宙學常數或真空能不同，標量場暗能量是可以隨時間演化的，在空間上的分布也可以不均勻，并且根據其動能項和勢能項的相對大小，可以表現為不同強度的“吸引力”或“排斥力”。因此相對于宇宙學常數，在理論上多了一些“自由度”，可以避免宇宙學常數中的“精細調節問題”和“巧合性問題”等問題。 在標量場暗能量模型中，精質暗能量（Quintessence）、幽靈暗能量（Phantom）以及精靈暗能量（Quintom）等均是被廣泛討論的標量場暗能量模型。這些模型基本是按照狀態方程w>-1，w<-1以及w跨越-1來分類的。  圖5: 不同暗能量對宇宙結局的影響。如果暗能量為宇宙學常數，則宇宙會持續加速膨脹；如果是幽靈暗能量（Phantom），則宇宙會在“瘋狂”加速膨脹中導致“大撕裂”（big rip）；如果暗能量能量密度在未來某刻開始顯著下降，則可能會導致宇宙走向“大坍縮”（big crunch）。丨圖片來源：NASA/GSFC 其中，最為不可思議或“瘋狂”的可能要屬幽靈暗能量。在此模型中，狀態方程w始終小于-1。意味著暗能量的能量密度既不會像宇宙學常數那樣保持不變，也不會像精質暗能量那樣漸漸減少，而是將隨著宇宙的膨脹而不斷急劇增加，從而又進一步的推動宇宙膨脹！這種“正反饋”機制最終會導致在有限的時間內宇宙的膨脹速度趨近于無窮大（由于是空間膨脹，因此并不與相對論沖突），即導致宇宙的“大撕裂”（big rip）。屆時宇宙中的星系、恒星甚至分子、原子以及亞原子粒子最終都將被撕裂開來而不復存在，最后宇宙將會由于這一“幽靈”處于一種難以理解的“瘋狂”膨脹狀態！ 當然，除了標量場暗能量還有許多暗能量模型被提出。例如通過動能項驅動宇宙加速膨脹的k質（K-essence）、質量為虛數速度始終超過光速的快子（tachyon）、既可以作為暗物質又可作為暗能量的恰普雷金氣體（Chaplygin gas）、以及受到量子引力理論啟發而提出的全息暗能量（holographic dark energy）等等。 通過以上討論，我們可以了解暗能量在解釋宇宙加速膨脹、大尺度結構演化等方面無疑是成功的，但其作為一種新的能量形式也受到了理論上的挑戰。目前仍然沒有一種令人信服的物理理論可以完全的解釋暗能量的起源和本質。 從另一方面來說，引起宇宙加速膨脹的并不一定是一種額外的物質或能量，也有可能是由于在星系或宇宙這樣大尺度下，引力與我們目前基于太陽系或之下尺度測量的性質是不近相同的。正是由于這種不同，使之有可能在大尺度上產生與廣義相對論有所差異的結果，甚至是引起宇宙的加速膨脹?；谶@種可能性，對目前廣義相對論的修改，即修改引力理論，原則上來說也是一種對宇宙加速膨脹的可能解釋。  圖6: 主要的修改引力各理論分類示意圖。丨圖片來源：Shankaranarayanan & Johnson, 2022, General Relativity and Gravitation, 54, 44 目前的修改引力理論主要是針對修改廣義相對論來進行的，如通過引入額外的場與度規張量相耦合，此場可以是標量場、矢量場和張量場；或者假設一些基本的定律和認識可以被打破，如引入額外維度、破壞洛倫茲不變性、引入“非局域性”等；還可以假設引力子具有靜質量，而非自旋為2的無靜質量粒子等等。 當然，不同修改引力理論所產生的現象和效應都不盡相同，與暗能量理論的預言也是存在不同程度的差異的。因此，更需要未來的地面及空間望遠鏡來精確測量不同現象和效應，來準確區分不同的理論模型，并高精度的檢驗廣義相對論。未來的下一代宇宙學巡天觀測目前正在緊鑼密鼓的開展進行中，包括空間的歐幾里得望遠鏡（Euclid）、羅曼望遠鏡（RST）、我國的巡天空間望遠鏡（CSST）、以及地面的魯賓天文臺（LSST）等等。 暗能量是否存在？其本質是什么？相信依靠未來強大的觀測能力和多種探測手段，一定能夠揭開暗能量這一宇宙幽靈的神秘面紗。 參考文獻 [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 [5] Phillips, M. M., 1993, ApJ, 413, L105-L108 [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 作者簡介 鞏巖，中國科學院國家天文臺研究員，宇宙學巡天研究團組負責人，中國巡天空間望遠鏡（CSST）國家天文臺科學中心常務副主任。主要從事暗能量和暗物質模型理論和觀測限制、宇宙大尺度結構、宇宙紅外背景、宇宙再電離時期等研究工作。目前已在 Nature、Science、PRL等雜志作為第一作者或主要貢獻者發表60余篇學術論文。 |
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