上天入地，看暗能量往哪里躲！

[我们仍然对占据宇宙2/3的暗能量一无所知。我们只有丰富想象力的各种推测。现在，科学家们已经开始全面收集暗能量，希望捕捉到任何线索并确认其真实身份。资料来源:blogspot.com]

自从我们发现一个神秘的东西将宇宙撕裂以来，我们已经绞尽脑汁15年了。但是我们仍然不知道它是什么。它无处不在，但却看不见。它占宇宙成分的三分之二以上，但我们不知道它来自哪里，由什么组成。加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔说:“大自然还没有准备好向我们揭示任何线索。”

然而，至少我们对这个最神秘的东西有一个名字:暗能量。现在，寻找它的工作正在进行中。2013年底，天文学家将发起一项新的调查，在爆炸的恒星和古老的星系团之间寻找这些东西的迹象。一系列太空任务和地面上的巨型望远镜将很快加入其中。与此同时，一些物理学家正在探索一个非传统的想法:在实验室中捕捉暗能量。

到目前为止，我们对暗能量仍然知之甚少，我们的知识可能仅限于3点。首先，暗能量是外推的。1998年，我们第一次注意到这一点，因为我们发现某种超新星爆炸的亮度出乎意料地暗，这表明它们的距离远远超出了我们的预期。从某个时刻开始，空间似乎开始加速膨胀，就像有一种排斥力阻止物质间的吸引力向外推一样。

第二，暗能量是丰富的。星系的运动和形成可以告诉我们宇宙中有多少物质，而宇宙微波背景辐射在大爆炸后380，000年发出，揭示了宇宙中物质和能量的总密度。第二个数字比第一个大得多。根据最新的观测数据，包括欧洲航天局普朗克卫星的微波观测，宇宙中大约68%的成分以非物质能量的形式出现，这显示了排斥力。每立方千米的空间大约有1焦耳。

第三，暗能量使物理学家的创造性思维充满活力。他们提出了数百种不同的富有想象力的理论。

其中最常见的是宇宙常数，但即使如此，它仍然是一个“疯狂的东西”它是空间中固有的能量密度，在爱因斯坦的广义相对论下会产生排斥力。随着空间的扩大，它会变得越来越大，使它的排斥力超过重力，由于物质的日益分散而逐渐减弱。粒子物理学甚至为它提供了一个起源:在充满不确定性的量子真空中不断出现和消失的虚拟粒子。但是问题是这些粒子有太多的能量——根据最简单的计算，每立方千米包含的能量大约是10120焦耳。

这种灾难性的差异为一系列令人眼花缭乱的替代理论留下了空间。例如，暗能量可能是“精华”，一种可以渗透到空间，随时间变化，甚至聚集在不同地方的想象能量。它也可能是一种经过修改的引力，在很长的距离上起排斥力的作用。或者，它是由地球在宇宙中的特殊位置造成的幻觉。暗能量也可能是波长比哈勃体积大几万亿倍的无线电波，甚至是更奇特的东西。

卡罗尔说:“许多聪明人正试图想出比宇宙常数更好的东西，或者理解为什么宇宙常数有这样的值。”。"总的来说，他们都失败了。"

黑暗降临是为了观察暗能量是否随时间变化，这是一种做出决定的方式。如果它确实随时间演变，宇宙常数可以被排除:作为空间的固有特征，它的密度应该保持不变。相比之下，在大多数“第五元素”模型中，随着空间的膨胀，暗能量会慢慢稀释——但在一些模型中，暗能量实际上增加并加速了宇宙的膨胀。在大多数修正重力的理论中，暗能量的密度也会改变。它甚至可以先升后降，反之亦然。

宇宙的命运完全取决于这种平衡。如果暗能量保持稳定，宇宙将会膨胀得更快，把我们变成一个孤岛，与宇宙的其他部分隔离开来。如果暗能量增加，它可能最终“粉碎”所有物质，甚至空间结构变得不稳定。根据对超新星的观察，我们今天最好的估计是暗能量的密度相当稳定。有一种观点认为暗能量正在慢慢增加，但是不确定性太大，所以我们现在不必担心这种增长。

从2013年9月开始，一个名为“暗能量调查”的国际项目将开始收集数据以进一步了解暗能量。维克多·布兰科直径4米的望远镜和位于智利托罗罗山的美国天文台特别设计的红外照相机，将在广阔的天空中寻找一些暗能量的迹象。该项目负责人、芝加哥大学的乔舒亚·弗里曼说:“尽管它不是世界上最大的望远镜，但它的视场非常大。”

第一步，这台望远镜将捕捉更多的超新星。每一次恒星爆炸的表观亮度(也就是说，它在我们看来有多亮)可以告诉我们它们发生在多久以前。在光向我们传播的过程中，波长会因空间的扩大而变长，即红移。结合这两件事，我们可以测量宇宙是如何随时间膨胀的。

这项调查还将绘制一张复杂的天空地图，显示数亿个星系的位置以及它们与我们的距离。在宇宙的幼年时期，声波在宇宙中回荡，给这个巨大的超星系团赋予了一个特有的尺度。通过测量超星系团的表观大小(也就是它们在我们看来有多大)，我们可以从新的角度来回顾宇宙膨胀的历史。

[通过各种不同的观测证据，科学家推断宇宙中有一些未知的能量，这推动着宇宙以更快的速度膨胀。然而，科学家仍然不知道这种未知的能量是什么。照片来源:《新科学家》

看天空，天空地图也将揭示暗能量在更小尺度上的影响。暗能量阻止星系聚集形成星团。天空调查小组将直接计算星系团，并通过引力透镜效应追踪它们的增长。引力透镜是一种现象，发生在星系团弯曲更远的天体发出的光时。

这些不同的测量应该能给我们一些线索，让我们知道暗能量是否会随着时间而变化——如果会的话。弗里曼说，他们的调查可以将现有结果的误差范围减少到1/4。到2016年，当调查的初步结果公布时，他们将能够开始识别一些不同的理论模型。

几年后将会形成一个完整的暗能量猎人团队。美国领导的大型天气观测望远镜将在2021年睁开眼睛。其他巨型望远镜，如夏威夷的30米望远镜、欧洲超大型望远镜和智利的巨型麦哲伦望远镜，将在大约同一时间投入使用。平方公里的阵列，一个在澳大利亚和南非建造的巨型无线电接收器，也将加入其中。通过观察氢气云的无线电发射，平方公里的阵列可以追踪宇宙的结构。到2020年，欧洲航天局和美国航天局计划发射一颗名为“欧几里德”的暗能量探测卫星，该卫星可以观测宇宙早期的重力透镜和星系团。美国宽视场红外巡天望远镜可能紧随其后。

这种在太空中搜寻黑暗能量的行为将会令人兴奋，但是猎物仍有可能逃脱。例如，我们可能会发现暗能量的密度随着时间的推移几乎是恒定的。这似乎支持宇宙常数，但它不能排除一些“第五元素”的理论，因为这些理论中的“第五元素”恰好具有几乎恒定的密度。此外，即使我们发现暗能量的密度确实在增加或减少，我们也可能无法判断这种变化是由于“第五元素”还是由于某种随时间变化的重力。

[夏威夷的30米望远镜和其他巨型光学望远镜将在未来10年内建成并投入使用。与其他设备一起，它们将为天文学家提供捕捉暗能量的有利工具。资料来源:astronomy.com.cn]

结果，一些物理学家提议在地球上设置“陷阱”来捕捉暗能量。诺丁汉大学的克莱尔·伯拉格说:“如果你引入一个新的场或粒子作为你的暗能量，那么它们也将成为传递一种新力的载体。”像“第五元素”这样的东西会产生第五种基本力，它不同于重力、电磁力、弱核力和强核力。“但是我们没有看到太阳系中的第五种力量，”伯拉格说。

理论家摆脱这一症结的通常方法是增加一个屏蔽机制，以削弱第五种力量在相对高密度环境中的强度(如在太阳附近)。一个名为“伽玛刀”的项目已经在美国费米实验室成立，并开始寻找一种特殊的屏蔽暗能量，即所谓的“变色龙”。

到目前为止，伽玛刀还没有发现任何东西，但是现在，伯拉格打算在更广的范围内寻找暗能量，并且必须更加敏感。她与诺丁汉大学的埃德蒙·科普兰和伦敦帝国理工学院的埃德·海因斯合作，利用玻色-爱因斯坦凝聚体中的低温原子团揭示了暗能量的痕迹。这个低温原子团会像整体一样在量子波动中振荡。暗能量应该会稍微降低这种振荡的频率。该研究小组计划将大量冷凝物分成两部分，并在其中一部分附近放置一个高密度物体。如果物体屏蔽了暗能量，两个“半聚集体”中的波将会失去同步，当它们再次结合在一起时，两者将会干涉。

电子效应在西雅图的华盛顿大学，埃特-沃什扭摆实验正在检测其他形式的宇宙排斥。一种理论认为，尺寸小于1毫米的额外空间尺寸可以为暗能量提供一个庇护所。在如此小的范围内，它也许还能增加重力。一种被称为“对称”的屏蔽“第五元素”将在类似的小尺度上产生额外的力——这种微妙的效果应该表现在埃特瓦什扭曲的轻微扭曲上。

与此同时，普林斯顿大学的迈克尔·罗曼利斯和达特茅斯学院的罗伯特·考德威尔在2013年提出，如果普通的光子或电子能够感应到哪怕是极其微弱的“第五元素”，地球上的磁场应该会产生微小的静电电荷。这很容易被发现。当然，任何专门为此目的设计的设备都必须非常精确(详见arxiv.org/abs/1302.1579)。

卡罗尔指出，我们可能还会在太空中看到另一种电磁效应。如果光子与暗能量相互作用，光子的偏振将随着它们穿过宇宙而旋转。他说，如果普朗克小组在几年后宣布已经测量了宇宙微波背景辐射中光子的偏振，“可以想象，他们将宣布已经探测到‘第五元素’”。接下来，我们可能会坐立不安十多年，等待那些望远镜看到暗能量在哪一边，然后我们可以松一口气，确保我们周围的空间不会塌缩成新的不健康状态。

很少有人认为对暗能量的搜寻会很快结束。俄勒冈大学的斯蒂芬·许说:“暗能量是最大的谜团之一。我不指望活着看到它被征服。”经过15年的困惑，我们仍然不知道暗能量是什么。但好的一面是，我们已经有了一些线索，这些线索可能藏在哪里。