暗能量是什么，详解！

遐错螂渤箔

宇宙模型
在目前物理学和天文学研究的前沿领域，引力波、暗物质、暗能量、中微子是最重要的研究方向。在研究宇宙的过程中，天文学家是利用模型思想来做研究的。研究宇宙整体演化的模型被称为标准宇宙模型。这个模型从最早的托勒密完善的地心说模型，再到哥白尼完善的日心说模型；

再到爱因斯坦提出的“有限无边静态宇宙”模型；乃至后来逐渐发展起来的膨胀宇宙模型，再到大爆炸模型。

最终到如今以大爆炸模型为基础的Λ-DCM模型。在这个最新的宇宙模型当中，DCM代表的是暗物质，而Λ是希腊字母，小写表示方法是λ，读音是“拉姆达”，代表的是宇宙膨胀的速率变化程度，它其实就和暗能量有关系。那暗能量到底是什么？在哪里？有什么用？
今天，我们就来聊一聊这个话题。宇宙学常数Λ的前世
话说，在1666年，当时正值伦敦爆发瘟疫，牛顿躲到了自己的乡下老家，专心研究学术，这一年也被称为牛顿奇迹年。在这一年，牛顿发明了微积分，他当时管这个叫做流数；同时完成了光学研究的实验解析部分，给后来万有引力定律的工作奠定了基础。

到了1687年，牛顿正式发表了著作《自然哲学的数学原理》。在这本书中，牛顿详细阐述了万有引力定律，他认为万物之间都存在着彼此吸引力的力，一种超距作用。通过万有引力定律，牛顿统一了天上和地上的物理学规律。但是，关于“万有引力是一种超距”这个问题上，其实并没有解释得很清楚，一直以来都有很多的学者在思考万有引力的本质到底是什么？

到了1905年，科学界又迎来另一个奇迹年，被称为爱因斯坦奇迹年。在这一年，爱因斯坦发表了四篇具有开创性的论文，其中就包括大名鼎鼎的狭义相对论。

在狭义相对论中，爱因斯坦统一了时间和空间，他认为不应该把时间和空间分开来看，而应该合并起来看，将其并称为时空，我们所生活的世界就是一个四维时空。狭义相对论其实针对的是惯性参考系，我们可以理解成是针对平直时空的运动学规律。

那弯曲的时空又是什么样子的呢？
从1905年到1915年，爱因斯坦就一直在潜心研究这问题，最终他提出了广义相对论。在广义相对论中，爱因斯坦提出了一个著名的“等效原理”，他认为，重力场和（适当）加速运动的参考可以相互等价，这里的加速运动的参考系可以理解成弯曲的时空。通过这个方式，爱因斯坦统一了重力场和加速运动。

于是，很容易得出这样一个结论，那就是引力的本质其实就是弯曲的时空。

举个最简单的例子，月球之所以绕着地球转，实际上就是因为地球压弯了时空，月球只是沿着时空的测地线在运动而已。

关于广义相对论，爱因斯坦给出了一个著名的广义相对论重力场方程，但是当他仔细琢磨这个方程时，他就很纳闷，这个方程预示着宇宙正在膨胀。但是爱因斯坦本人一直持有的观点是宇宙是静态的。于是，他在方程当中加入了宇宙学常数Λ，把膨胀的效应抵消掉，并提出了他构想的宇宙模型：有限无边静态宇宙模型。

但是爱因斯坦很快迎来了双重打脸。首先出手的是一个叫做勒梅特的神父，当然，他其实还是一个物理学家。他在研究爱因斯坦这个方程时，就发现爱因斯坦夹带的“私货”。于是，他就提出了异议，他认为宇宙就是应该膨胀的。

紧接着，天文学家哈勃通过观测再度打脸爱因斯坦。具体来说是这样的，哈勃在观测银河系外的星系时，发现大多数的星系都在发生红移。所谓红移说明了星系在离我们远去，后来经过更加细致的研究，科学家证实了宇宙正在膨胀。

按照哈勃的发现，宇宙学常数Λ应该从爱因斯坦的场方程中去掉。所以，哈勃的发现几乎给宇宙学常数Λ判了死刑。

据说，连爱因斯坦曾对此懊悔不已，他认为给广义相对论添加宇宙学常数Λ是他一生中最大的错误。

宇宙学常数Λ的今生
可能爱因斯坦做梦都想不到，宇宙学常数Λ未来竟然还会起死回生，事情还能迎来反转，他添加的这个宇宙学常数Λ，真的是瞎猫碰上了死耗子。在哈勃发表了自己的观测结果，并提出了大名鼎鼎的哈勃定律之后。

勒梅特提出了不同的看法，他认为宇宙学常数Λ未必会等于0，也就是说，宇宙学常数Λ未必应该去除掉。他是这么思考的，如果我们向上抛一个小球，这个小球会减速运动，当到达最高处时，速度会变成0，接近着开始加速下落。
我们知道，宇宙中的物质之间是呈现引力的，也就是说，它们在彼此吸引。所以，宇宙膨胀的过程中，实际上受到了引力的作用，宇宙应该是减速膨胀的。但这都是在假设宇宙中只存在引力的情况，但宇宙真的存在引力吗？这目前我们还不知道，因此，宇宙学常数Λ是一个很好的调节器，可以调节宇宙膨胀的速率。但是勒梅特的研究在当时并没有引起太多的关注。

后来，科学家在计算宇宙的总质量时，就发现宇宙的总质量竟然是一个负值。后来，科学家们检查了一遍计算的过程，发现并没有什么错误。于是，科学家就猜测是不是存在着人类观测不到的物质？
后来，有两个独立观测的科学团队，他们发表了Ia型超新星的观测数据，观测数据表面宇宙正在加速膨胀。随后，这个观测结果也被其他团队所证实。2011年，两个小组的负责人获得了诺贝尔物理学奖。

宇宙加速膨胀的结果也预示着，宇宙中存在着一种力，这个力的属性恰好和引力是相反的，也就是斥力。而提供这个斥力的就被科学家称为暗能量。

爱因斯坦的宇宙学常数Λ正如勒梅特预言的那样，需要重新引入到广义相对论的场方程当中，用来描述宇宙的加速膨胀，只不过这时的取值和爱因斯坦的取值是不一样的。

暗能量
科学家进一步研究发现，暗能量实际上和空间自身的尺度有关，也就是说，宇宙的尺度越大，暗能量就会越大。而宇宙中还存在着可见物质和暗物质，它们所提供的其实是引力。因此，宇宙的膨胀实际上是引力和斥力相互博弈的结果，或者我们可以说是暗物质、可见物质与暗能量博弈的结果。

在宇宙大爆炸之初，可见物质和暗物质的引力是宇宙的主导，宇宙是在减速膨胀；而到了距今45亿年前，宇宙膨胀到如今宇宙大小的75%，暗能量提供的斥力占据了主导，于是，宇宙开始加速膨胀。

如今，科学家已经可以通过宇宙微波背景辐射来计算暗能量、暗物质、可见物质的比例。其中暗能量占据了接近75%，其余的大部分都是暗物质，可见物质只有不到5%。也就是说，由于暗物质也是无法直接进行观测的，因此人类可以观测的，仅仅是宇宙总物质量的不到5%。

暗能量的占比说明了暗能量将在未来宇宙的演化过程中扮演极为重要的角色。我们目前所知道的是，暗能量和真空的尺度有关，它提供与引力相反的斥力。
然而暗能量到底是什么？我们目前一无所知，在学术圈，暗能量的假说简直遍地都是。可以说，暗能量是如今这个时代，科学界上空的一朵乌云，它对宇宙的演化起到了决定性的作用，而我们对它却一无所知。