暗能量是宇宙中最重要的单一元素。它影响了宇宙的诞生、今天的演化以及万亿年后的结局。现在，这种能量正在导致宇宙加速膨胀；在遥远的未来，这种膨胀可能会变得如此迅速，以至于空间本身将被撕裂。然而，我们对暗能量是什么几乎一无所知。我们甚至没有一个合适的名称——“暗能量”这个词本身不过是一种科学的无奈。
我们的宇宙命运悬而未决，取决于暗能量的行为。如果暗能量增加，一切都将被撕裂；如果它改变方向，宇宙可能会在大挤压中终结。（图片来源：NASA/CXC/M.Weiss）难怪，我们最近的《发现》杂志封面故事，关于暗能量的奥秘（Zeeya Merali的《直面黑暗》）引起了读者如此多的好奇邮件。在上一篇文章中，我回答了一些读者提交的关键宇宙学问题。但实际上，第一组回复只是触及了表面。对于每个泛泛地询问大爆炸性质的读者，总有其他人想更多地了解暗能量本身。因此，正如承诺的那样，这是第二部分，探讨科学家如何意识到能量而非物质统治着宇宙。像以前一样，我需要事先声明。我在这里给出的答案不仅仅是我自己的。它们是从世界各地天文学家和物理学家的辛勤努力中提炼出来的——尽管一些更具哲学性的问题不可避免地会引发更个性化的答案。我还应该承认，我们对宇宙仍然有很多未知。但在过去的15年里，科学家们已经提出了令人信服的证据，证明暗能量是真实的。目前，这将需要革命性的新发现才能推翻它。话虽如此，让我们继续讨论宇宙问题二：黑暗宇宙。研究暗能量的科学家所做的只是毫无结果的推测。显然，他们不知道这到底是怎么回事。——迪克和琳达·C。这个陈述中隐藏着一个有力的问题。宇宙学家一直在谈论他们对暗能量的了解多么少，它是多么神秘。他们能确定它真的存在吗？套用某位总统的话：是的，他们能。让我通过快速回顾暗能量是如何被发现的来支持这个答案。自从大爆炸理论在20世纪60年代被广泛接受以来，研究人员一直在尝试测量一个名为“减速参数”的数字。这个数字描述了宇宙由于宇宙中所有物质的相互引力而减速的速率。减速速率之所以重要，原因有几个。它告诉我们可观测宇宙的总质量。它通过显示事物是否减速到足以最终停止和反转来告诉我们宇宙的命运。它对于确定宇宙的年龄至关重要，因为它告诉我们自大爆炸以来宇宙膨胀的速率是如何变化的。为了测量减速，你需要比较宇宙现在的膨胀方式和遥远过去的膨胀方式。幸运的是，有限的光速就像一台视觉时间机器。一百万光年外的星系在我们看来就像一百万年前的样子。十亿光年外的星系在我们看来就像十亿年前的样子，依此类推。
超新星2005ke，左上角的亮星，是一颗Ia型超新星——用于发现暗能量的类型。图像显示了它在可见光（左）、紫外线（中）和X射线下的样子。（图片来源：NASA/Swift/S. Immler）在20世纪90年代，一些研究人员——最著名的是索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯，他们最终分享了诺贝尔奖——开发了一种通过观察非常遥远、极其明亮的Ia型超新星来测量减速参数的新方法。随着数据的不断涌入，他们推导出的减速参数值越来越小，直到达到零。这对应于一个完全没有质量的宇宙。“我想我们不存在！”珀尔马特和他的团队开玩笑说。然后这个数字开始变得*小于*零。这意味着宇宙正在加速，而不是减速，某种向外的力，而不是引力的向内拉动，是主要的驱动因素。宇宙学家迈克尔·特纳提出了用暗能量来命名这种未知的排斥剂。当第一批超新星论文于1998年发表时，许多科学家持怀疑态度。然而，从那时起，对宇宙加速的研究被反复进行，结果总是相同的。暗能量也得到了大爆炸遗留辐射研究和星系团随时间演化研究的支持。暗能量不是推测。它是对宇宙观测行为的描述。教条该死：我对暗能量有不同的看法……我们收到了很多以这种方式开头的信件。《发现》杂志的读者显然不满足于普遍的科学观点，即空间本身充满了看不见的能量——如此多的能量，以至于其质量远远超过所有恒星、行星和气体加起来的质量。（请记住，质量和能量是等价的：E=mc²）宇宙作为一个整体与我们生活的世界如此不同，这确实看起来违反直觉。在地球上，你所接触的一切都由质子、中子和电子组成的原子构成。然而，在宇宙尺度上，这种“普通”物质根本就不普通。根据最新的宇宙测量，它仅占总量的4.9%。暗物质占26.8%。（有关暗物质的更多信息，请参阅我关于影子宇宙的入门指南。）暗能量占68.3%。宇宙的三分之二以上是完全非物质的。即使是宇宙学家也很难理解这些想法。因此，重要的是要记住，他们接受暗能量这个想法并不是因为它听起来很酷，而是因为观测证据迫使他们这样做。科学家与暗能量的不适关系始于阿尔伯特·爱因斯坦本人。1917年，他研究了他的新引力理论（广义相对论）的宇宙学含义，并遇到了一个问题：在非常大的尺度上，引力会倾向于导致宇宙坍缩。因此，爱因斯坦引入了一种可能的排斥力，可以平衡引力并允许宇宙保持静态——正如他和大多数天文学家当时所相信的那样。他称之为拉姆达（Lambda），但这实质上只是暗能量的早期名称。关键是爱因斯坦引入暗能量是因为它是解释宇宙观测行为最简单、最一致的方式。1929年发现宇宙正在膨胀后，爱因斯坦意识到星系的向外运动本身就可以解释为什么事物没有坍缩，他放弃了拉姆达的想法。[一个有趣的历史注记。与流行媒体中的许多说法和书籍相反，没有令人信服的证据表明爱因斯坦曾称拉姆达为他的“最大错误”。天文学家马里奥·利维奥最近发现，“错误”的故事很可能是一个神话。爱因斯坦总是认识到像暗能量这样的东西在理论上是可能的——现在看来这种可能性正在成为现实。]暗能量会不会是……
...产生压缩空间点的结晶？
…一种宇宙静电效应？
…在5维“真实”宇宙中，作为一个时间轴上的点移动的3维气泡？
…一个“大吸力”拉扯着我们的宇宙？
…恒星爆发时喷射出的能量？
…太远而无法看见的质量？
在他们的信中，《发现》的读者们提出了许多富有创意的方式来解释暗能量。然而，一个可信的暗物质理论不仅仅需要创造力。它必须遵守已知的物理定律。它必须提供具体、可检验的描述。而且它必须与所有关于宇宙行为的已知观测结果相符。
根据最新的观测，引力和暗能量之间的推拉导致宇宙先减速，然后加速。这张宇宙历史示意图是利用哈勃太空望远镜的数据绘制的。（图片来源：NASA/HST）关于膨胀宇宙最奇怪的事情之一是，它并非一直以相同的方式膨胀。直到大约50亿年前——大致是地球形成的时候，上下浮动——它一直在减速。然后，情况发生逆转，膨胀开始加速。因为我们看向太空时也是回望过去，这种宇宙大逆转以一种奇怪的方式显现出来。宇宙最遥远（很久以前）的部分正在减速，而更近（最近）的部分正在加速。天文学家实际上可以看到并绘制出这种模式，再次使用超新星作为深空中的里程碑。如果空间结构中嵌入了排斥能量，那么这种先减速后加速的宇宙就说得通。当宇宙年轻、小而稠密时，引力占主导地位。随着宇宙变大，其密度下降，空间（和能量）的体积增加。大约50亿年前，暗能量最终压倒了引力。现在很容易看出读者关于暗能量的一些想法存在问题。“大吸力”意味着宇宙加速在最大距离处应该最强烈，但实际上我们看到的是相反的情况。太远而看不见的质量同样只能影响宇宙最远的部分；从我们的角度来看，超出可见宇宙边缘的任何事物都无法物理地影响我们。同样，暗能量不能是太远而看不见的质量的影响。其他一些读者的想法之所以失败，是因为他们将常识性的想法应用于宇宙问题——而人类直觉在如此不熟悉的尺度上根本不是有效的指南。例如，新星或超新星喷射出的物质和能量不会改变宇宙的密度，因此无法影响其膨胀。宇宙整体上是电中性的，因此它不能受到宇宙静电效应的影响。最后，一些更奇特的读者想法过于模糊而无法评估。“压缩空间”或“一个5维真实宇宙”等术语只有在它们被精确定义并与其他得到充分支持的物理概念联系起来时才有意义。这里重要的教训是：任何认真开发新宇宙理论的人首先需要彻底研究当前的理论，并认真与开发它们的人进行交流。我强烈鼓励这样做。对宇宙学投入的视角越多，它就会取得越大的进步。
——哈利·P。这封信提出了一个引人入胜且非常具体的问题：反物质会感受到反引力吗？令人惊讶的是，没有人知道。当前的理论认为反物质和物质应该以完全相同的方式对引力做出反应。但你真正想做的是进行一次测试：聚集一团反物质，放开它，看看它是向下掉还是向上升。一个大型物理学家团队在欧洲核子研究中心（CERN，欧洲物理学联合会，大型强子对撞机的制造者）的ALPHA实验中，最近就做了这件事。他们制造了反氢原子，将其捕获，然后放开。上个月发表在《自然》杂志上的结果，可能会让喜欢“是”或“否”答案的人失望。实验非常困难，研究人员只能说反氢原子没有移动太多；引力和反引力都与结果相符。尽管如此，ALPHA的结果表明这种测量是可能的，一个名为AEgIS的更灵敏项目将在几年后跟进。
科学家说大爆炸应该产生与物质一样多的反物质。我相信暗物质可能就是反物质。也许物质和反物质相互排斥，就像两块磁铁的北极一样，这种排斥力可以解释我们宇宙神秘膨胀的暗能量。
两个重量从比萨斜塔落下时，无论其质量如何，都以相同的速度下落。反物质是否也像物质一样下落？三个新实验将对此进行调查。（图片来源：Aegis/CERN）（既然物质吸引物质，那么反物质为何会排斥反物质，正如读者所暗示的，这尚不清楚。无论如何，在实验室中进行这项实验将需要持有和测量两大块反物质，这远远超出我们目前的技术能力。）反物质可能无法解决暗能量问题。气球和空间探测器表明宇宙中的反物质很少。即使反物质隐藏在遥远的地方，其影响也应该随着宇宙的膨胀而减小——这与观测到的宇宙加速模式相反。尽管如此，如果反物质和物质对引力的反应不同，那将需要对广义相对论和量子物理学进行一些严重的修改。
您的“黑暗面指南”没有考虑光能。当然，所有那些电磁辐射，如果不是地球大气层，它会把我们烤焦，它肯定会有影响。
——格雷格·D。这可真是个有趣的想法。光和其他形式的电磁辐射以能量的形式包含质量。也许这种质量有助于将事物拉在一起，或者辐射的压力有助于将事物推开。这听起来几乎像一个禅宗公案：光能会是暗能量吗？测量宇宙中辐射能的总量实际上相当容易，因为这是我们可以看到的东西。事实证明，辐射在宇宙质量中所占的比例不到0.01%（再次使用狭义相对论将能量转换为等效质量）。这个比例太小，无法对宇宙膨胀产生实质性影响，而且净效应是减缓而不是加速膨胀。这再次证明了一个令人谦卑的教训：我们在夜空中看到的事物——包括恒星及其发出的光——只占宇宙中存在的一小部分。
文章没有提到希格斯玻色子。如果我理解正确，希格斯玻色子会产生一个场；这种能量会影响引力吗？
——罗杰 让我们把这个问题分成两部分。希格斯场会影响引力吗？绝对会，因为希格斯场赋予其他粒子质量，没有质量它们就不会有引力。（至少，去年的发现似乎证实了这一点。）所以从这个意义上说，希格斯场是我们整个宇宙大戏的核心角色。现在是第二部分。希格斯场与暗能量有关系吗？这是个非常不同的问题。暗能量可能与真空能量有关，也就是存在于空旷空间中所有场的残余能量。真空能量包括电磁场（允许光存在的场）等熟悉的事物以及所有其他已知场……包括希格斯场。所以希格斯场可能是构成暗能量的能量的一个组成部分。但我们在这里已经深入到推测领域了，因为目前还没有人有一个完善的暗能量来源模型。
这篇《发现》文章告诉我们，宇宙膨胀只发生在大尺度上，对银河系、行星和原子等较小事物没有影响。然而，膨胀的预期结果之一是行星、原子和其他小尺度事物被撕裂。这两者如何协调？
—— D. V. Thompsop 这都归结于时间尺度。目前，暗能量只在最大的宇宙尺度上显现其作用。再等一段时间——我说的是从数百亿年到数百亿年不等——情况可能会改变。回想一下，引力向内拉和暗能量向外推之间的平衡似乎随着宇宙的持续膨胀，创造出更多的空间并稀释现有物质，而稳步地向暗能量的方向倾斜。如果暗能量的本质保持不变，空间将持续加速膨胀。随着这种情况的发生，引力将越来越难以将事物维系在一起。与此同时，宇宙的可见边缘——空间以光速远离我们的距离——将不断地向我们靠近。最终，空间的膨胀将压倒松散地将星系团维系在一起的引力。在大约一万亿年之后（大约是宇宙当前年龄的100倍），所有其他星系都将从视野中消失，我们将生活在我们自己孤立的“口袋”中。“这将以我能想到最荒凉的方式结束，”布莱恩·施密特说。“这是永恒，但同时也是虚无。”除非不是。没有人知道暗能量是否会随着时间而保持不变。它可能会变得更强，那样事情会变得更糟。在这种情况下，空间的膨胀将变得如此迅速，以至于它将开始分解我们自己的银河系，银河系。然后事情将继续发展，直到空间的加速膨胀开始撕裂恒星、行星、人类、原子——一切——最终导致大撕裂。大撕裂可能最早在1000亿年后发生（仍然在太阳熄灭很久之后，如果你热衷于长期规划的话）。然后，暗能量也可能衰变甚至反转，导致宇宙停止膨胀并向内坍缩。一些宇宙学理论甚至认为，在当前的宇宙耗尽之后，会发生一次新的大爆炸。寓意是：不要指望悲惨的命运。目前有如此多的理论，你几乎可以随意选择故事的结局……至少目前是这样。
如果空间从虚无中爆炸，创造了我们现在居住的宇宙，这就引出了一个问题——宇宙创造了上帝吗？
——盖尔·S。这是一个完全无法回答的问题，所以请原谅我无论如何还是尝试一下。如果你相信一位人格化的上帝——那种回应祈祷、行神迹、直接与人说话的上帝——那么科学对此无话可说。这样的上帝存在于时空之外，不生活在物理定律之中，所以宇宙学的发现与此无关。
有上帝的空间，是的，但可能不是这个特定的上帝。爱因斯坦对上帝有不同的看法，这种观点以某种形式被许多研究宇宙的其他科学家广泛认同。“我相信斯宾诺莎的上帝，他通过存在之物的和谐秩序来启示自己，而不是一个关心人类命运和行为的上帝，”爱因斯坦在1921年告诉拉比赫伯特·戈德斯坦。当乔治·斯穆特将他的宇宙微波背景图称为“上帝的面孔”，或者当莱昂·莱德曼提及“上帝粒子”时，他们大致是在这个语境下说的。就物理定律在大爆炸时出现而言，你可以说我们所知的上帝也出现在那时。那么“大爆炸之前是什么？”这个问题就等同于是否存在更深层、更永恒的上帝形式。关于存在于无限时间中的多重宇宙的最新理论（在我的上一篇文章中也有描述）为上帝在我们的宇宙之前——以及之后（如果存在之后）——提供了一个存在的空间，如果你选择那样解释它们的话。这些理论也可以解释我们的宇宙是如何开始的，以及大爆炸之前是什么。然而，这些理论目前无法检验，所以它们仍然像物理学一样存在于形而上学领域。在Twitter上关注我：@coreyspowell
