暗能量什么样？爱因斯坦只“蒙”对了一半

斯隆数字天空调查(SDSS)第四阶段的电子书项目将绘制宇宙诞生后30-80亿年间星系和类星体的分布图，供研究人员限制暗能量(SDSS官方网站)

斯隆数字天空测量公司(SDSS)在新墨西哥使用一架2.5米的望远镜进行天空测量，这有望揭开暗能量的神秘面纱(照片来源:blog.sdss.org)

29年前，澳大利亚和美国的研究小组分别通过超新星观测发现了宇宙加速膨胀的现象。这带来了对宇宙的新理解和一个新难题:宇宙加速膨胀背后的驱动力在哪里？

科学家推测暗能量是宇宙膨胀的原因。但是它看起来像什么？大自然是什么？这是爱因斯坦广义相对论中描述的真空能量吗？为了解决这些问题，科学家们相继跟进。国家天文台最近发布的一项研究认为，暗能量并不像爱因斯坦描述的那样保持静止，而是类似于宇宙中的星系和恒星，并随着时间而演变。

不可分割的时间和空间

谈到牛顿，恐怕没有人会怀疑他是历史上最伟大的科学巨人之一。如果当时设立了菲尔兹奖和诺贝尔奖，牛顿仅仅通过发明微积分和发现万有引力定律就可以轻松获得两项世界科学奖。

牛顿万有引力定律在研究太阳系的行星运动方面取得了巨大成功。例如，它准确地描述了行星运动的规律，并成功地预测了海王星的存在。然而，万有引力定律有其局限性。

在牛顿看来，时空和物质运动定律是完全独立的，也就是说，物质就像一个演员，而时空是舞台。实验表明，建立在绝对时空观基础上的万有引力定律只适用于运行速度远低于光速的物体和弱引力场中的系统。牛顿力学不再适用于高速物体，如宇宙飞船，或强引力场系统，如黑洞附近。

1887年，两位科学家，默克森和莫雷，设计并完成了一项精密的实验。他们意外地发现光速是恒定的。这显然与牛顿力学中的速度叠加原理相矛盾。

天才爱因斯坦大胆地提出时间和空间是不可分割的。物质的分布和运动导致时间和空间的弯曲，进而影响物质的行为。不出所料，这些“高大上”的相对论思想超出了当时许多科学家的理解能力，因此没有被主流科学界所接受。

然而，真理就是真理。随着对水星进动的完美解释等重要“展示”工作的出现，爱因斯坦的相对时空观正式取代了牛顿的绝对时空观，为现代宇宙学研究奠定了理论基础。

在宇宙加速膨胀的背后

当爱因斯坦写下著名的广义相对论方程时，天才的大脑立即意识到，在他的理论中，宇宙中的空间和时间有两个目的地，其中一个是收缩和坍缩。爱因斯坦当然不能接受宇宙自我毁灭的命运，所以他试图修改他的方程来保持宇宙的时空静止。为此，他在方程中加入了一个“宇宙常数”。简而言之，宇宙常数，也就是真空能量，可以提供有效的排斥力来抵消重力效应，防止宇宙崩溃。

然而，命运给爱因斯坦开了一个大玩笑。1929年，美国科学家哈勃通过观察发现，宇宙不是静止的，而是在膨胀！这正是原始广义相对论方程描述的另一个宇宙目的地。爱因斯坦当时的沮丧心情是可以想象的。他对自己引入宇宙常数的做法极为恼火，认为这是“他一生中最大的错误”，这更是雪上加霜

令爱因斯坦惊讶的是，宇宙不仅扩大了，而且加速了。1998年，世界上两个超新星研究小组独立发现了宇宙加速膨胀的现象，并因此分享了2011年诺贝尔奖。爱因斯坦的宇宙常数可以提供相等的排斥力，这只会加速宇宙的膨胀。这一发现足以安慰爱因斯坦，但这位伟人已经去世43年了。

宇宙加速膨胀背后的物理机制是当代科学中最大的未解之谜之一。观测研究发现，宇宙中的物质(包括暗物质和普通物质)只占宇宙总能量组成的三分之一，而另外三分之二是完全未知的，所以它被称为“暗能量”。作为推动宇宙加速膨胀的神秘力量，暗能量的本质之谜尚未解开。

暗能量是静态的吗

虽然暗能量的性质目前还不清楚，但是我们已经通过天文观测了解到了暗能量的一些特殊性质。例如，暗能量有压力和负压。这很奇怪。普通流体的压力是正的。这意味着当流体被压缩或拉伸时，压力会产生相反的力。当负压流体被拉伸时，压力推动流体被进一步拉伸。

有趣的是，真空具有负压的特性。这是因为真空不能被稀释。当它的体积被拉伸时，真空内部能量反而会增加，并将继续推动它的体积被拉伸。因此，宏观上，真空能量，爱因斯坦的宇宙常数，可以作为暗能量的候选之一。

然而，在微观层面上，真空能量，作为暗能量，有一系列严重的理论问题，如微调。科学家们一直在努力建立一个新的暗能量理论模型，并通过天文观测进行了测试。

在观测方面，科学家可以使用多种方法探测暗能量，如观测超新星、宇宙微波背景辐射、宇宙中星系的聚集等。打破暗能量的秘密在于观察暗能量状态方程的物理量W，即暗能量压力与其能量密度之比。对于真空能量，W总是等于-1，而其他暗能量模型预测W随时间的演化。

最近，作者和20多名国际合作者使用了一种类似于“人口普查”的方法来测量宇宙在不同时期的膨胀率。此外，结合其他类型的最新天文观测数据，重建了暗能量状态方程从约100亿光年前至今的演化历史。研究发现，W不是常数，而是随着时间的推移而演变，并在-1附近振荡。这与中国科学家张新民的团队在2004年提出的“精灵”暗能量模型的预测相一致。这个结果意味着暗能量的本质可能不是真空能量，而是一些具有动力学性质的未知能量场。

在接下来的5-10年里，电子书、设计信息系统等。的国际大型星系测量项目将完成观测。这些“超级天眼”将观察2000多万个星系，并绘制宇宙的三维图像。这些数据将帮助科学家精确测量宇宙中空间和时间的膨胀以及宇宙中大规模结构的形成历史。他们将更精确地验证暗能量的动力学，并揭开暗能量本质的神秘。

(作者依次是中国科学院国家天文台的研究员、助理研究员和学生)