暗能量是所有科學(xué)領(lǐng)域中尚未解決的最大難題之一。宇宙不僅在膨脹，而且我們推斷遙遠星系的膨脹率正在加速：隨著時間的推移，從我們的觀察角度它們的退去速度在加快。這是一個驚喜，當(dāng)它在20世紀90年代被經(jīng)驗性地發(fā)現(xiàn)時，20多年過去了，我們?nèi)匀徊恢肋@種神秘和宇宙中最豐富的能量形式從何而來。

• 圖注：在破譯暗能量本質(zhì)的宇宙謎題時，我們將更好地了解宇宙的命運。

雖然你可以在廣義相對論的背景下解釋暗能量，但最近嘗試通過改變引力來解釋暗能量已經(jīng)成為一種時尚。最近，獲獎的克勞迪婭·德拉姆博士的理論工作成為焦點，導(dǎo)致《衛(wèi)報》發(fā)問：“物理學(xué)家的引力理論是否解決了‘不可能’的暗能量之謎？” 這是一個令人著迷的可能性，但需要有適當(dāng)程度的懷疑。

• 圖注：對愛因斯坦廣義相對論進行了無數(shù)次的科學(xué)檢驗，使其受到了人類有史以來最嚴格的限制。愛因斯坦的第一個解決方案是在一個質(zhì)量附近的弱場極限，比如太陽；他將這些結(jié)果應(yīng)用到我們的太陽系中，取得了巨大的成功。我們可以將這條軌道視為地球（或任何行星）圍繞太陽自由下落，在其自身的參照系中以直線路徑運行。所有的質(zhì)量和所有的能量來源都有助于時空的曲率，但是我們只能近似地計算地球太陽軌道，而不是精確地計算。

你可以把宇宙想象成兩個競爭者之間的競賽：最初的宇宙膨脹，導(dǎo)致遙遠的物體彼此遠離；引力，將所有的東西拉回到一起，試圖重新回憶宇宙。大爆炸是發(fā)令槍，當(dāng)遠處的物體開始彼此后退時，地心引力總是會使它們減速。

你可以想象的三種可能性：

1. 要么膨脹太快，引力無法克服，宇宙中所有的引力都無法阻止或逆轉(zhuǎn)膨脹，
2. 或者是因為引力太大，最初的膨脹速度跟不上，膨脹會減速、停止、逆轉(zhuǎn)，導(dǎo)致一場大危機，
3. 或者膨脹率和引力完全平衡，我們的宇宙正好，膨脹率漸近于零，但永遠不會逆轉(zhuǎn)。

不幸的是，對我們的直覺來說，宇宙并沒有這樣做。

• 圖注：宇宙的四種可能的命運，只有物質(zhì)、輻射、曲率和宇宙常數(shù)是允許的。前三種可能性是宇宙的命運取決于物質(zhì)/輻射與空間曲率的平衡；后一種可能性包括暗能量。只有最底層的“命運”與證據(jù)一致

當(dāng)然，在最初的70或80億年里，它看起來正朝著完美平衡的方向發(fā)展，但隨后出現(xiàn)了一種新的現(xiàn)象：暗能量。雖然科學(xué)家沒有足夠的證據(jù)得出結(jié)論，至于造成暗能量存在并支配我們的宇宙的原因，我們可以描述它所做的以及它如何影響我們的宇宙。

如果將望遠鏡對準一個遙遠的星系，測量它的光，從它誕生的那一刻到今天，你會發(fā)現(xiàn)你觀察到的光總是與發(fā)出的光相比發(fā)生紅移。當(dāng)光在不斷膨脹的宇宙中傳播時，空間本身的結(jié)構(gòu)就會拉伸，從而拉伸光的波長。當(dāng)它到達我們的眼睛時，它的波長更長，這意味著它的顏色比發(fā)射時更紅，能量更低。最初發(fā)出這種光的遙遠星系本身也會隨著時間的推移越來越遠。

• 圖注：此簡化動畫顯示光紅移如何以及未束縛對象之間的距離，在膨脹的宇宙中隨時間而變化。請注意，物體的起始距離比光在它們之間移動所需的時間要近，由于空間膨脹而導(dǎo)致的光紅移，并且兩個星系的間隔遠于它們之間交換的光子所走的光旅行路徑。

如果沒有暗能量，任何一個星系都會以一個特定的紅移開始——它的光會被拉伸一定的量——紅移會隨著時間而減少。隨著引力減緩了膨脹速率，遙遠的星系將以逐漸減慢的速度退去，隨著宇宙的繼續(xù)發(fā)展，它們的光將越來越少地紅移。

然而，在我們的宇宙中，我們看到了另外一些事情：單個星系在宇宙歷史的前78億年似乎放慢速度，然后它們的退去速度似乎加速了。隨著時間的推移，遙遠的星系單獨地以越來越快的速度從我們身邊消失。在我們所能觀測到的宇宙中的2兆個星系中，即使我們今天以光速朝向它們奔去，有94%個星系是我們永遠無法企及的。

當(dāng)然，最大的問題是為什么。為什么我們的宇宙有暗能量？為什么暗能量具有它所具有的非零值？為什么它有它所具有的特殊性質(zhì)？

自從上世紀90年代首次揭示并發(fā)現(xiàn)暗能量以來，從宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，從宇宙對其內(nèi)部恒星的年齡要求，從遙遠超新星的微弱，從宇宙的平坦度和測量的物質(zhì)密度的結(jié)合，科學(xué)家們已經(jīng)知道與我們所說的宇宙學(xué)常數(shù)驚人地一致：我們可以在愛因斯坦的廣義相對論中，加入一些不違背理論本身核心預(yù)言的東西。

宇宙學(xué)常數(shù)的概念很簡單：空間結(jié)構(gòu)本身具有非零的固有能量。

• 圖注：顯示量子真空中虛擬粒子的量子場論計算可視化。（特別是，對于強相互作用）即使在空白空間，這種真空能量也是非零的，從空間曲率不同的觀察者的角度來看，彎曲空間中一個區(qū)域的“基態(tài)”看起來也不同。只要量子場存在，真空能（或宇宙常數(shù)）也必須存在。

這是解釋暗能量最簡單、最保守的方法：這僅僅是由于空間本身的性質(zhì)。如果暗能量真的被空間的零點能量所描述，并且與宇宙常數(shù)不可區(qū)分，那么它應(yīng)該：

• 能量密度永遠不會隨時間變化，
• 使所有波長的光都紅移相同的量，
• 使加速膨脹的影響服從一個特定的關(guān)系，只要隨著時間的變化，
• 同時仍然要求引力在任何時候都是相同的，對于所有的觀察者，在所有的參考系中，引力的速度完全等于光速。

無論我們在哪里測試，最后一點的每一個組成部分都被觀測到非常精確，這就是為什么引力的改變已經(jīng)受到如此嚴格的預(yù)先約束的原因。

• 圖注：伽馬射線爆發(fā)的例子，長期以來被認為是中子星合并的結(jié)果。它們周圍富含氣體的環(huán)境可以延遲信號的到達，解釋了觀測到的引力和電磁信號到達之間1.7秒的差異。這是我們觀察到的最好的證據(jù)，引力的速度必須等于光的速度。

盡管如此，最近修改引力已經(jīng)成為一種時尚，許多理論家修改了打破廣義相對論規(guī)則的想法。最常見的修改類型要么是添加一個額外的字段（標(biāo)量、向量或兩者），要么是添加一組額外的術(shù)語（像一個新的耦合），要么就是它們打破了引力在任何時候?qū)γ總€人都是相同的定律的概念。所有這些都已經(jīng)受到了高度的限制，因為廣義相對論已經(jīng)出色通過了我們所經(jīng)歷過的每一次驗證。

然而，這些想法中的一些已經(jīng)過時了。最后一個選擇就是打破洛倫茲不變性，這意味著拋棄了建立相對論的基本原理。最近，一項新的研究得到了廣泛的關(guān)注，試圖通過假設(shè)引力子（攜帶光子的引力類似物），這種引力子并非完全沒有質(zhì)量，而是具有其固有的微小、非零質(zhì)量

• 圖注：所有無質(zhì)量粒子都以光速運動，包括光子、膠子和引力波，它們分別攜帶電磁、強核和引力相互作用。如果重力子，即負責(zé)重力的攜帶力的粒子，有一個非零質(zhì)量，它們將比光傳播得慢，并且產(chǎn)生一個與廣義相對論預(yù)測的力定律略有不同的力定律。

如果是真的，這將對物理學(xué)產(chǎn)生巨大的影響。首先，它意味著引力并不是真正的遠程力；在足夠遠的距離上，它應(yīng)該以比電磁力（基于無質(zhì)量光子）更快的方式變得更弱。第二，這意味著改變你的坐標(biāo)，無論是以恒定的速度移動還是變速移動到不同的位置，都會改變你對引力定律的感知。

但第三，這意味著引力的速度小于光速，這很難調(diào)和。事實上，這三者都有觀測和實驗上的局限性，告訴我們，如果引力不是真正的長程引力，不是坐標(biāo)引力，也不是推進不變量引力，或者它的速度不完全等于光速，那么它必須非常非常接近光速。

但是，從理論上講，引力子的第四個結(jié)果是最令人不安的：它的質(zhì)量隨時間而變化，與膨脹率本身成比例。

• 圖注：上圖中右邊有第一個弗里德曼方程。第一個弗里德曼方程左邊詳細描述了哈勃膨脹率的平方，這支配著時空的演化，右邊包括所有不同形式的物質(zhì)和能量，以及空間曲率（在最后一個術(shù)語中），它決定了宇宙在未來如何演化。這被稱為宇宙學(xué)中最重要的方程，由弗里德曼在1922年以其現(xiàn)代形式導(dǎo)出。

這是理論物理學(xué)家在沙盤里玩的模擬。在某種程度上，我們知道廣義相對論并不是所有問題的全部答案，因為有些問題它是無法回答的。因此，有人認為，探索“打破”廣義相對論的不同方法，找出其結(jié)果，尋找偏差是合理的。在某種程度上，科學(xué)家已經(jīng)這樣做了100年。

但這種偏差從未出現(xiàn)過。對于包含標(biāo)量或向量的廣義相對論的替代方案，有很強的限制。引力的速度必須等于光速，如引力速度超過光速，只有通過扭曲物理理論來實現(xiàn)。而且，也許最令人沮喪的是，這些解釋暗能量的嘗試完全掩蓋了一個大問題——如何計算空間自身的零點能量——而根本沒有解決它。

• 圖注：量子引力試圖將愛因斯坦的廣義相對論與量子力學(xué)相結(jié)合。經(jīng)典引力的量子校正被形象化為循環(huán)圖，如此處以白色顯示的?？臻g（或時間）本身是離散的還是連續(xù)的尚未確定，引力是否量化的問題，是否有引力子（質(zhì)量的還是無質(zhì)量的）的問題也是如此?；蛘呶覀兘裉焖赖牧Ｗ邮欠袷腔镜摹５侨绻覀兿Ｍ幸粋€關(guān)于一切的基本理論，它必須包括量子化場，而廣義相對論本身并沒有這樣做。

暗能量的存在是絕對正確的，支持它存在的證據(jù)是壓倒一切的，而科學(xué)家可以做一個很好的描述暗能量的工作，我們不知道是什么引起它或者它來自哪里?？赡苁俏覀儸F(xiàn)在的引力理論，廣義相對論，不太正確，它不正確的具體方式，最終將對暗能量負責(zé)。這就是大多數(shù)研究修正引力的理論家所指望的。

但這只不過是在沙盤里玩而已。可觀測和可測量的試驗繼續(xù)與廣義相對論在其未經(jīng)修改的形式上一致，解釋宇宙常數(shù)的值在所有版本的引力中仍然是一個無法解釋的謎，無論是修改的還是未經(jīng)修改的。如果你想要解釋暗能量，宇宙學(xué)常數(shù)可以完美地完成這項工作。如果你愿意，你可以做不同的工作，但是要誠實地告訴自己你在做什么：增加一個額外的，不必要的復(fù)雜因素來解釋一些已經(jīng)足夠復(fù)雜的事情。