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暗能量的相關(guān)解釋

雖然暗能量存在的證據(jù)都來自于間接推測，但有三個主要證據(jù)支持：

根據(jù)遙遠星系距離與紅移量的觀測，顯示宇宙在它演化過程的后半段經(jīng)歷了加速膨脹。

實際觀測的宇宙是平坦的，這顯示宇宙的物質(zhì)密度應(yīng)該近似等于大爆炸理論中的臨界密度。但是暗物質(zhì)和通常物質(zhì)的觀測總量加起來都遠遠不夠，需要有額外的物質(zhì)貢獻質(zhì)量。

宇宙大尺度質(zhì)量密度的傅立葉譜支持暗能量存在的假設(shè)。

目前通常假設(shè)，暗能量在宇宙中各向同性，密度非常小，且不與通常物質(zhì)發(fā)生任何除引力之外的已知的相互作用（即電磁，強，弱相互作用）。暗能量的密度又非常之小，大概10 g/cm3，因此地球上的實驗室應(yīng)當很難直接發(fā)現(xiàn)它。但是因為暗能量應(yīng)該充滿了所有的宇宙空間，因此它占宇宙質(zhì)能總量的68%，這顯著地影響了宇宙整體的演化。目前的兩類暗物質(zhì)理論——宇宙常數(shù)理論和基本標量場理論，都包含了暗能量的兩種重要性質(zhì)——均勻和負壓。

關(guān)于暗能量的“負壓”

根據(jù)廣義相對論，造成引力效應(yīng)的時空彎曲不僅僅受物質(zhì)的質(zhì)量影響，也受到物質(zhì)不同部分之間的應(yīng)力的影響。其中，壓強是物質(zhì)的應(yīng)力的一種形式。物質(zhì)的質(zhì)量密度、動量密度和物質(zhì)的應(yīng)力張量共同組成了物質(zhì)的能動張量，共同決定了時空曲率。因此，從由廣義相對論推導(dǎo)出的弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規(guī)解中，能看出足夠強的負壓對宇宙演化的影響：當 w 1 / 3 {\displaystyle w 時，如果宇宙已經(jīng)在膨脹，負壓將使宇宙加速膨脹，而如果宇宙已經(jīng)收縮，它又將使宇宙停止收縮重新膨脹。

該加速效應(yīng)有時被稱作“引力排斥”，但負壓并不會造成個別物質(zhì)之間的排斥作用，它們?nèi)匀皇窍嗷ノ?。但是，負壓充斥宇宙，卻會造成類似宇宙背景時空整體被吹漲的效應(yīng)，結(jié)果是宇宙加速膨脹了。

暗能量存在的具體觀測證據(jù)

超新星

1998年，高紅移超新星搜索隊觀測組發(fā)表了Ia型超新星的觀測數(shù)據(jù)，顯示宇宙在加速膨脹。隨之，1999年，超新星宇宙學(xué)計劃證實了該結(jié)果。該項工作于2011年獲得諾貝爾獎。

Ia型超新星可被視為測量大尺度長度的標準量天尺。這種超新星爆發(fā)時的絕對星等都一樣，只要觀測到他們的視星等，就可以測出它們到地球的距離。而紅移量又能體現(xiàn)退行速度。因此可以將距地球不同距離的Ia型超新星的紅移量與宇宙學(xué)方程的預(yù)言值進行比較。取定合適的參數(shù)，ΛCDM模型模型比較符合觀測。

宇宙微波背景輻射

無論是何種形式的暗能量，它都對宇宙空間大尺度曲率有貢獻。對宇宙微波背景輻射的觀測，可以測量出宇宙目前的曲率，以及宇宙中暗物質(zhì)和通常物質(zhì)的含量。目前的觀測結(jié)果是，我們的宇宙接近平坦，因此宇宙的總物質(zhì)量應(yīng)該接近等于臨界密度。但微波背景輻射測出的宇宙暗物質(zhì)和通常物質(zhì)的含量僅有該值的30%左右，則剩下的為暗能量。

威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）衛(wèi)星耗時七年，給出的數(shù)據(jù)是宇宙物質(zhì)的72.8%是暗能量，22.7%是暗物質(zhì)，4.5%是通常物質(zhì)。2013年，普朗克衛(wèi)星給出的數(shù)據(jù)是，68.3%的暗能量、26.8%的暗物質(zhì)、及4.9%的通常物質(zhì) 。

大尺度結(jié)構(gòu)

在早期宇宙“光子退耦”發(fā)生前，所有物質(zhì)，包括光子，電子，重子等，都組成了一鍋均勻的“等離子體湯”。在其中，所有的粒子自由程都極短，走一點路程就會被其他粒子散射，所以這種等離子體內(nèi)部的相互作用極強。當然，這種等離子體也不是完全均勻的，上面會有微小的密度漲落。由于暗物質(zhì)退耦更早，因此那些密度稍大的部分含有更多的暗物質(zhì)，這些部分吸引周圍的物質(zhì)向其靠近。由于這種早期的等離子體內(nèi)部相互作用非常強，因此在被吸往密度較大的核心的過程中，會聚集而造成局部壓力過大，因此會向周圍輻射一種“重子聲波震蕩”，就如同在水中丟一顆石子，外圍產(chǎn)生一圈波紋一樣。由于暗物質(zhì)早就退耦了，除了引力之外它不與等離子體相互作用，因此暗物質(zhì)留在中心，而等離子體則形成了被暗物質(zhì)吸引的部分的一個核心，以及周圍包裹的壓力較大部分的一個殼狀密度較大區(qū)域，那是“重子聲波震蕩”的波前。這個殼狀區(qū)域可以以光速的一半向外擴張。

之后，隨著宇宙膨脹，等離子溫度下降，光子退耦出去，形成了今天宇宙微波背景輻射的源頭，而組成殼狀區(qū)域的重子和電子物質(zhì)結(jié)合生成原子核。由于失去了光子作為相互作用的傳遞媒介，重子之間的相互作用開始以引力為主，“殼狀區(qū)域”不再受波的傳播定律的制約，因而擴散停止，被固定住。由于早期宇宙溫度幾乎是均勻的，而溫度下降到某個值時，光子會突然“同時退耦”，因此所有的“殼狀區(qū)域”都會同時固定，繼而只受引力相互作用，只隨宇宙膨脹，而不繼續(xù)向外傳播，并且互相干涉，形成宇宙中今天看到的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這些殼狀區(qū)域繼續(xù)不停地吸引落入的物質(zhì)，形成各種星系，因此我們能在宇宙中觀測到各種大小幾乎一致的空洞（~150兆秒差距），空洞的周圍是一群星系組成的殼。這種空洞也可以作為宇宙的“量天尺”。

2011年，WiggleZ計劃調(diào)查了銀河系附近200,000個星系，利用這些空洞作為標準量天尺校正周圍星系與地球的距離，再測量這些星系的紅移量，類似前述的超新星測量法，也得出了宇宙在大約70億年前開始加速膨脹的結(jié)論。同時，它給出了目前宇宙的漲落大約為1/10。

薩克斯-瓦福效應(yīng)

我們目前觀測到的宇宙微波背景輻射的光子，在到達探測器之前，走過了很長一段距離。在這段距離上，光子必然受到其附近天體的引力場影響，被紅移或藍移。由于宇宙的物質(zhì)并不可能完全均勻分布，因此光子經(jīng)過的路程上將布滿很多引力勢阱或勢壘，這將造成不同方向的背景輻射光子溫度產(chǎn)生差異。當然，由于原始宇宙的量子漲落，微波背景輻射的光子本來就存在由此而來的各向異性，這貢獻了微波背景輻射各向異性的大部。薩克斯-瓦福效應(yīng)在此基礎(chǔ)上，進一步疊加了一部分各向異性。

宇宙如果加速膨脹，將改變光子運行路上的引力勢阱或勢壘的構(gòu)造，因此在光子通過勢阱或勢壘的過程中，這種變化的信息就體現(xiàn)在光子中。因此微波背景輻射的各項異性，將有助于我們了解宇宙各個方向的情況。2008年，Ho et al. 以及Giannantonio et al. 兩個小組分別報道了他們的分析結(jié)論，顯示宇宙在加速膨脹。

關(guān)于對暗能量進行理論解釋的嘗試

宇宙常數(shù)

愛因斯坦的引力場方程并沒有禁止一個宇宙常數(shù)項。愛因斯坦本人曾引入這一項，使得宇宙存在一個靜態(tài)解。雖然愛因斯坦本人宣稱這是他一生中最嚴重的錯誤，但是現(xiàn)在宇宙的加速膨脹效應(yīng)似乎表明，引力場方程中應(yīng)該有這么一項，雖然它很小。

當然，這一項可以直接“手放”進引力場方程中，但是大家更希望給它一個解釋。宇宙學(xué)常數(shù)項等效于一種物質(zhì)，它處處存在，且具有負壓強。描述粒子物理的量子場論預(yù)言了真空“不空”，它里面充斥了各種虛粒子漲落，因此真空本身當然具有能量，稱為“真空能”，這種量子效應(yīng)導(dǎo)致的真空能即等效于一個宇宙學(xué)常數(shù)。不幸地是，多數(shù)粒子物理理論預(yù)言的真空能數(shù)值過大，通常比測出的暗能量密度（10 g/cm ）多出120個數(shù)量級，因此這也是粒子物理學(xué)理論中一個很深刻的問題。

某些粒子物理學(xué)理論，比如超對稱理論，其中各項真空能項可以被抵消。但這樣又帶來一個問題，為何真實宇宙中的真空能又沒有被精確抵消，而殘留了這么一點點呢？當然，超對稱必須破缺，因此真空能不可能嚴格為0。但另一方面，目前超對稱理論無法被實驗證明是否是正確的，就算它在短期內(nèi)被加速器實驗證實，它仍然還不是一個有效理論，因為超對稱破缺的具體機制并不清楚，而這也會強烈影響真空能的大小。能否給出正確的暗能量數(shù)值，也將是檢驗超對稱理論的一個重要標準。

標量場理論

我們也可以在理論中直接引入一種標量場（可以被稱作“第五元素”），用以驅(qū)動宇宙進行加速膨脹。與前述的宇宙常數(shù)理論不同，標量場理論允許暗能量有一定的不均勻。為了避免不均勻的程度太大，這種標量場的質(zhì)量（也就是它拉氏量中的二次項系數(shù)）必須很輕，這樣才能產(chǎn)生一個大的康普頓波長。

但是，如果認為任何場論都必須被量子化，這種標量場理論也必須被量子化。但是標量量子場論的質(zhì)量并不是穩(wěn)定的，也就是說，輻射修正不能保證標量場在重整化后的質(zhì)量項仍然很小，這樣，理論面臨困難。

某些標量場理論能回答，“為何宇宙加速膨脹恰好能被我們觀測到？”這個問題。如果宇宙加速膨脹得稍微早一點，那么在銀河系形成之前，物質(zhì)就已經(jīng)由于宇宙的加速膨脹而互相分離，不能再凝聚成任何星系系統(tǒng)，也就不能產(chǎn)生人類了。這些標量場理論具有一種稱為“tracker”的性質(zhì)，“tracker”的意思類似追蹤，追蹤的對象是宇宙中的輻射。在宇宙早期輻射為主時期，這種標量場并不表現(xiàn)任何效應(yīng)，也就是跟著“追蹤著輻射走”，當輻射逐漸被宇宙膨脹稀釋，密度降到物質(zhì)密度以下，就觸發(fā)了這種標量場開始產(chǎn)生效應(yīng)，推動宇宙逐漸加速膨脹。

對于宇宙加速膨脹歷史的考察，可以了解暗能量的狀態(tài)方程，進而定出它壓強和密度的關(guān)系。在自然單位制下，宇宙常數(shù)理論語言壓強的數(shù)值嚴格等于密度(w=-1)。2004年，一項研究似乎觀測到了一點偏離。

一些標量場理論被稱作“phantom energy”，它們預(yù)言暗能量密度將隨時間的流逝而不斷增加，甚至能最終導(dǎo)致“大撕裂”。另一些理論則非常大膽地將標量場的動能項寫成負的。

參見

暗物質(zhì)

宇宙學(xué)常數(shù)

零點能量

希格斯場

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