Question

4亿亿亿亿立方光年的宇宙，这种东西无处不在，天文学家不得其解

Answer 1

直到20世纪90年代末，我们才发现宇宙中还蕴含着巨大的能量，这就是暗能量。时至今日，天文学家仍然不知道暗能量是什么。就质能而言，宇宙中只有5%是由我们熟知的东西组成：质子、中子、电子、光子、中微子、黑洞，甚至引力波。其余27%是暗物质，宇宙中质能占比最多的是暗能量，达到了68%。

通过测量河外星系中的Ia型超新星的距离和红移，天文学家发现，宇宙不可能仅仅由物质和辐射组成，而是需要一种新的能量形式来改变我们宇宙的命运。20多年过去了，暗能量仍然是宇宙中最大的未解之谜。

为了知道宇宙是由什么组成的，天文学家测量了宇宙中各种不同星系的距离和红移。通过测量星系光线的红移值，可以知道它们的运动速度，以及光线离开星系到达地球这段时间内，宇宙空间膨胀了多少。另一方面，通过测量遥远星系的视亮度和视直径，结合已知星系的实际亮度、直径和距离，可以测出目标星系的距离。

当天文学家结合所有的观测结果，包括超新星、大尺度结构、宇宙微波背景的涨落等等，这些证据都指向一个相同的宇宙图景：5%的普通物质、27%的暗物质和68%的暗能量。

从理论角度来看，我们理解这些观测结果的方式是非常直接的。在最大的宇宙尺度上，宇宙在所有的方向和位置都是一样的。我们实际可以观测到的宇宙体积可达4亿亿亿亿立方光年。在超过几十亿立方光年的范围内，宇宙事物的一致性达到了99.99%。

当宇宙在所有方向和位置上表现得似乎都一样时，我们可以从广义相对论中推导出一个关于宇宙运转的精确解：

左边是膨胀/收缩因子，右边是所有物质和能量项。这些是控制膨胀宇宙的规则，通过测量速率随时间的变化，可以确定宇宙中有什么，有多少，以及它们如何运转。

结合观测数据，从宇宙学标准模型中可以推导出如下的参数：

宇宙中的大部分能量不仅是看不见的，而且它们的形态完全不同于物质。物质通常聚集在一起，因为物质之间存在引力作用。当足够多的物质聚集在一起时，它们可以克服空间膨胀，形成恒星、星系和星系群。在物质主导的宇宙中，随着时间的推移，结构变得越来越大，越来越复杂，越来越像网络。

然而，在一个存在大量暗能量的宇宙中，这个网络的规模和复杂性将是有限的。根据目前的观测结果，暗能量表现为它们是空间结构本身固有的一种能量形式。随着宇宙的膨胀，体积逐渐增大，物质密度、辐射密度以及能量都会逐渐降低，但暗能量的能量密度始终保持不变。数十亿年后，物质和辐射的密度都会下降到暗能量密度以下，导致宇宙膨胀速度进一步加快。

天文学家观测了大量的Ia型超新星，较好地测量了宇宙网络在早期、中期和晚期的演化过程，并从宇宙微波背景的波动和极化中提取了更多的细节，这让我们能够间接地了解暗能量。结果表明，暗能量表现为一个宇宙常数，这意味着它是空间本身固有的一种能量形式。暗能量也可以表现为一种更复杂的形式：作为能量的一般形式，它们有自己独特的状态方程。

天文学家描述暗能量的方式是通过一个参数：w，即状态方程。在物理学中，w把任何形式能量的能量密度与其压力联系起来。对于速度相对于光速可以忽略不计的物质而言，w=0，这意味着正常物质和暗物质都没有压力效应。另一方面，辐射会产生正压力：w=+1/3，这种正压力会导致宇宙膨胀速率随时间而降低。

对于暗能量，w=-1，这意味着暗能量会产生负压力。

广义相对论中的宇宙常数很有趣，因为它是除了宇宙中发现的物质和能量之外，唯一可以添加到爱因斯坦方程（或者从中推导出的弗里德曼方程）中的能量形式。它也出现在量子场论中，作为真空本身固有的能量。如果能够计算宇宙中所有粒子和场的贡献，以及它们如何应用于真空空间本身，我们在理论上可以得到空间本身的零点能量数值，也就是宇宙常数。

然而，计算所得到的结果太大了，比观测值大了120个数量级，这错得离谱。因此，暗能量需要通过一种不同的机制来解释。

有些物理学家放弃广义相对论，转而修正引力理论，这样就可以引入一些新的自由参数来解释暗能量，而不是局限于广义相对论中的宇宙常数。或者可以给宇宙引入一个新的场，它以多种可能的方式来耦合各种力或相互作用。

还有些物理学家建立一个模型，在暴胀阶段（发生于宇宙诞生的极早期）存在的条件与今天的暗能量有关。或者可以引入一个新的假设，它会带来不同于我们通常预期的宇宙效应。任何能够提供与宇宙常数大不相同观测值的模型都可以进行检验。

然而，每一个观测证据都表明暗能量和宇宙常数没有什么不同，暗能量表现为它们是空间结构本身固有的一种能量形式。为什么真空空间会有这样的性质呢？为什么宇宙结构的零点能量是一个正的非零值呢？为什么暗能量会表现出我们所观测到的行为呢？在量子真空理论取得突破之前，暗能量仍将是宇宙中最大的未解之谜。