图片来自互联网 　　

　　暗能量的身份一直是宇宙中最大的谜团之一，吸引着科学家们进行无数的理论推测和研究。例如，科学家最近在《自然天文》发表了一篇论文，称利用钱德拉X射线天文台和XMM- Newton天文台的数据进行的研究表明，随着宇宙时间的推移，暗能量很可能会增加。那么，宇宙中这个“主角”的真实面目是什么呢？为什么这么重要？ 　　

　　惊人发现：宇宙加速膨胀是事实 　　

　　1998年，两个独立的天文观测小组利用宇宙中的Ia型超新星作为标准烛光，发现我们的宇宙正在加速膨胀。这是20世纪天文学最重要的发现之一。 　　

　　20世纪初，爱因斯坦建立了一套基本理论来描述我们所生活的世界的引力行为，这就是广义相对论。在这个理论中，宇宙的演化是由引力场方程描述的。如果我们知道宇宙中物质的种类，掌握一定的天文观测结果，利用爱因斯坦的引力场方程，就可以求解宇宙现在和未来的演化状态。遗憾的是，求解的结果并不代表现阶段可以加速膨胀的宇宙，这对我们所能把握的事实提出了极大的挑战。 　　

　　为了解释宇宙的加速膨胀，我们需要宇宙中有一种成分能够提供一种可以被视为“斥力”的相互作用。为了理解这一点，想象我们在地面上向天空扔一块石头。由于地球对石头的吸引力，石头的速度会越来越小，最终会变为零。通常爱因斯坦的理论是这样给出宇宙命运的。现在，如果我们在石头上安装一个火箭发动机，它将在喷出的气体的排斥下翱翔。然后在石头被抬离地面后，石头的速度会越来越快，最后脱离地球引力的束缚。同样，为了加速宇宙的膨胀，我们也需要宇宙中有一个可以起到火箭发动机作用的部件。物理学家称这种成分为暗能量。 　　

　　因此，寻找合适的暗能量候选者成为了一个非常重要的问题。一个最简单的想法就是在爱因斯坦的引力场方程中加入一个常数项，这个常数项叫做宇宙常数。它的意义在于告诉我们，真空并不是真的“空”而是有能量的，真空的能量可以成为加速宇宙膨胀的动力。 　　

　　尽管宇宙常数的想法足够简单，并且与今天的天文观测非常吻合，但还是有一些致命的问题。量子场论可以估算宇宙中的真空能量。可惜估计的结果比我们实际观测的要大120个数量级，也就是宇宙常数对应的真空能量值！因此，物理学家称之为“物理学史上最糟糕的理论预言”。此外，在当今宇宙中，暗能量约占宇宙总能量的70%。为了获得这个比例，宇宙非常早期阶段的暗能量比例小得惊人。计算结果表明，只要当时的暗能量比例稍微偏离这个结果，就会大大偏离我们今天对宇宙成分的观测结果。这意味着宇宙在开始时的状态要进行精细的调整，这让我们对宇宙常数的解释产生了怀疑。 　　

　　面对挑战：寻找压强为负的物质 　　

　　为了更好地解释宇宙加速膨胀的现象，人们需要跳出标准的爱因斯坦场方程和物质理论的框架。 　　

　　一个有效的解决方案是在宇宙中引入一种新的物质，它可以随时间缓慢变化，表现得像宇宙中的宇宙常数，从而解释我们宇宙的加速膨胀。宇宙学家用这种物质的压能比来描述物质的这种状态，这就是物态方程的参数。为了加速宇宙的膨胀，这个物态方程的参数应该小于-1/3。考虑到物质的能量通常为正，这就意味着物质的压强需要为负，这与我们常见的物质有很大的不同，前面提到的宇宙常数之比正好等于-1。 　　

　　物理学家提出了多种暗能量物质模型，根据物态方程和-1的参数比较，这些模型大致可以分为三类。第一种叫essence，英文名为Quintessence，对应的状态方程参数大于-1。有趣的是，这个名字的含义来自希腊语“第五元素”。在古希腊哲学中，人们认为世界是由四种元素组成的――气、水、火和土。如今，科学家发现的基本粒子可以分为夸克、轻子和中间玻色子。如果加上暗物质作为第四种元素，这个暗能量候选就会变成第五元素，因此得名精粹。第二个叫幻影，英文名为Phantom，压强与能量之比小于-1。在日常生活中，鬼是指没有物质实体的东西。为了实现这个暗能量模型的假设，我们需要这种物质的动能为负，这与我们平时所能看到和感受到的有很大的不同。所以被称为“鬼”也就不足为奇了。在第三类暗能量模型中，宇宙学家将“本质”和“幽灵”两个理论假设结合起来，各取一词，提出了一个名为“Quintom”的暗能量物质模型。在这个模型中，压力与能量之比可以在宇宙演化中自由跨越-1的边界，因此可以给出更丰富的宇宙演化行为。 　　

　　另一个方案是修改爱因斯坦的引力理论。此外，人们还试图跳出广义相对论的框架，比如引入一个更高的时空维度，把我们的三维空间和一维时间嵌入到一个更高维的时空里，引力就变成了一个更高维的相互作用。在很小的距离范围内，它与普通引力没有区别，但在更大的距离范围内，它会偏离标准引力，从而解释宇宙的加速膨胀。 　　

　　从以上两个角度来看 　　

未来展望：等待更精确的观测

为了揭开宇宙加速膨胀之谜，人们提出了形形色色的方案，但还没有一个完美到让人信服的方案。

找到完美的解决方案，一方面，我们需要更精确的宇宙学观测。在传统的天文学观测中，对天体发出的不同种类光的观测往往是我们获得重要信息的途径。自从成功探测到引力波以来，人们已经进入了多信使天文学时代。与将Ia型超新星作为“光源”类似，人们提出了将引力波源作为“汽笛”来探测宇宙膨胀现象的想法，从而提供与Ia型超新星及其它观测相独立的实验检验途径。此外，对其它可能存在的偏离标准广义相对论现象的观测，比如牛顿引力常数是否是一个真正的常数，也有助于我们从其它角度来认识我们手头上能够解释宇宙加速膨胀现象的理论。

另一方面，理论也需要得到更充分的发展。人们既可以思考并提出更新颖巧妙的理论来解释天文观测现象，也可以在现有理论的基础上致力于有效理论的发展，从而更好地认识暗能量以及其它与爱因斯坦理论所偏离的现象。一个多世纪以前，物理学上空的一朵乌云――以太漂移学说与激光干涉实验之间的矛盾催生出了爱因斯坦的相对论，现在我们有了暗能量这朵巨大的乌云，这是否意味着我们处在理论和认知的巨大飞跃的前夕呢？（蔡一夫 李春龙）