紫外可見(jiàn)光譜的圖像展示了遙遠(yuǎn)的宇宙。圖上的星系正以超過(guò)光速的速度加速遠(yuǎn)離我們。我們認(rèn)為宇宙中存在大量暗能量促成了這一事實(shí)。
Credit: NASA/ESA
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20年前，宇宙加速膨脹理論被首次提出，之后科學(xué)家一直嘗試能夠得到簡(jiǎn)明的、令人信服的和可以被驗(yàn)證的解釋。越來(lái)越多的試驗(yàn)和觀測(cè)數(shù)據(jù)指向一個(gè)假想宇宙加速膨脹的根源——暗能量，但它一直都是令人抓狂的和難以捉摸的概念。如果我們把暗能量視為功能上等效于“宇宙常數(shù)”（或空間固有的能量），將會(huì)很難評(píng)估它的特性和數(shù)值。如果我們把它視為在空間中放置物質(zhì)而引發(fā)的作用力，那樣暗能量就成因于宇宙空間的特性，這一特性由宇宙和物質(zhì)本身決定。
圖中星系成簇狀的形態(tài)能夠反映暗能量的存在與作用能級(jí)
Credit: NASA Goddard Space Flight Center
我們很容易揭示宇宙中的大多數(shù)作用力和現(xiàn)象。兩個(gè)大質(zhì)量物體之間會(huì)產(chǎn)生顯著的引力作用，這種作用可以歸結(jié)于物質(zhì)和能量下的時(shí)空彎曲。宇宙在膨脹，它經(jīng)歷了大爆炸，之后是能量密度和分布的持續(xù)變化。所有的宇宙粒子經(jīng)歷了量子場(chǎng)論和矢量波色子交換的作用。從最小的亞原子粒子到最大尺度的物質(zhì)，同樣的作用力發(fā)揮著作用，維系著從質(zhì)子，到人類，到行星，再到星系。
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強(qiáng)相互作用，如同圖示發(fā)生交換膠子，維系著原子核。
Credit: Wikimedia
一些謎一樣的現(xiàn)象可以用已知的知識(shí)來(lái)解釋。比如：我們不知道是否存在比反物質(zhì)更多的物質(zhì)，但我們知道所需要的條件：只有違反重子數(shù)、重子不守恒，以及破壞電荷共軛變換不變性和電荷共軛-空間反演聯(lián)合變換不變性的相互作用。我們并不知道暗物質(zhì)的性質(zhì)，但我們知道它們分布在哪里以及它們是如何聚集的。我們并不知道黑洞是否有信息，但我們已經(jīng)知道它們的最終和初始狀態(tài)，以及他們?cè)谝暯鐣?huì)發(fā)生什么。
黑洞示意圖
Credit: NASA
然而，對(duì)于暗能量我們真的一無(wú)所知。當(dāng)然，我們可以測(cè)量宇宙的膨脹，來(lái)評(píng)估它的作用等級(jí)。但是它們是怎樣以正態(tài)的能量形式存在于宇宙的？它又是如何永遠(yuǎn)都以正態(tài)形式作用于宇宙，永遠(yuǎn)都不衰減？在宇宙的初期它是如此的微弱，也就是在宇宙的前幾十億年很難注意到它的存在，而現(xiàn)在它的作用是如此巨大？
星系演化的行星形成階段
Credit: NAOJ
現(xiàn)在我們已經(jīng)了解到很多關(guān)于宇宙以及暗能量的信息，它們揭示出一些有趣的關(guān)聯(lián)。宇宙中有很多空間，空間中存在量子場(chǎng)。引力、電磁力以及核力無(wú)處不及。如果我們嘗試計(jì)算真空中的不同量子場(chǎng)，那么我們可以列出無(wú)窮盡的條目，因此只能進(jìn)行大致的評(píng)估。而選取部分計(jì)算，貌似可以得到大致的結(jié)果，但我們終將失望而歸。數(shù)學(xué)上，只要大約120個(gè)數(shù)量級(jí)，或正或負(fù)的計(jì)算已經(jīng)非常龐大。這些正負(fù)計(jì)算值并不能完全抵消。這里可能存在歸因于空間本身的能量，也正因?yàn)檫@種能量讓遠(yuǎn)處的星系加速遠(yuǎn)離我們，盡管很慢但隨著時(shí)間推移持續(xù)作用。
4種宇宙膨脹結(jié)局，第4種最像是我們的宇宙。
Credit: E. Siegel / Beyond The Galaxy
宇宙為什么在加速膨脹？是因?yàn)榘的芰康淖饔?，但暗能量?lái)自哪里？一種猜測(cè)是來(lái)自低溫的中微子，甚至還有可能是我們目前對(duì)宇宙膨脹研究的錯(cuò)誤。但有一種簡(jiǎn)單的被忽視的可能：那就是空間自身的性質(zhì)，在空間中的物質(zhì)會(huì)因?yàn)檫@種性質(zhì)產(chǎn)生作用力。這種想法來(lái)源于一個(gè)已被驗(yàn)證的現(xiàn)象：卡西米爾效應(yīng)。
卡西米爾效應(yīng)示意圖：兩片真空中的金屬片在“真空漲落”中發(fā)生相互作用
Credit: Wikimedia
空間中如果沒(méi)有電荷、沒(méi)有電流，就沒(méi)有電磁力。但如果我們將兩片金屬箔放置在非常近的距離，卡西米爾效應(yīng)就出現(xiàn)了，兩個(gè)金屬箔之間出現(xiàn)了相互作用力。我們認(rèn)為出現(xiàn)了由于真空能量的存在而產(chǎn)生的一種吸引力。事實(shí)證明，包括引力在內(nèi)的所有力都表現(xiàn)出卡西米爾效應(yīng)。
宇宙大尺度的圖像，展示了超過(guò)百萬(wàn)個(gè)星系，每個(gè)點(diǎn)都是一個(gè)星系，不同顏色代表不同距離，紅色最遠(yuǎn)。
Credit: Daniel Eisenstein and the SDSS-III collaboration
因此，我們將上述效應(yīng)應(yīng)用在整個(gè)宇宙會(huì)怎樣？答案很簡(jiǎn)單：我們得到像暗能量這樣的表現(xiàn)，盡管它們可能不在一個(gè)數(shù)量級(jí)。原因很可能是我們還無(wú)法充分了解宇宙物質(zhì)，也沒(méi)有掌握量子場(chǎng)效應(yīng)的計(jì)算方式。近幾十年，我們已有長(zhǎng)足的進(jìn)步，產(chǎn)出了很多難以置信的研究成果。
三維重建12萬(wàn)個(gè)星系的簇狀結(jié)構(gòu)
Credit: Jeremy Tinker/ the SDSS-III
我們正在繪制整個(gè)宇宙的地圖。也許通過(guò)這些觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)我們永遠(yuǎn)無(wú)法理解暗能量。也許暗能量本就只是一種理論，它可能是與某種真空能概念相似的理論，也或許甚至是更多維度空間的征兆。這就是我們研究的宇宙，有太多難以理解的秘密，但有些秘密可以用現(xiàn)有的知識(shí)解答，只要我們潛心研究。
