不久之前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布了2025十大前沿科學(xué)問(wèn)題。其中，“暗能量與哈勃常數(shù)危機(jī)”赫然在列，成為了唯一上榜的天文學(xué)問(wèn)題。這可以說(shuō)是實(shí)至名歸的，因?yàn)樽罱鼛啄?strong>暗能量研究領(lǐng)域的確正在經(jīng)歷著一場(chǎng)革命性的變化。最新的天文觀測(cè)成果很可能揭示了暗能量的演化特性，為科學(xué)家們探索宇宙的演化歷史和未來(lái)命運(yùn)提供了非常重要的幫助。

暗能量的概念起源于宇宙加速膨脹現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。要想理解暗能量，就要先弄清宇宙加速膨脹的奧秘。接下來(lái)，我將分上下兩篇，上篇為大家介紹宇宙膨脹的概念以及加速膨脹的發(fā)現(xiàn)，下篇再為大家?guī)?lái)暗能量的故事。

宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)史

首先，宇宙膨脹是怎么被發(fā)現(xiàn)的？讓我們把時(shí)間回轉(zhuǎn)到一百年前的20世紀(jì)初，天文學(xué)家斯利弗（V. Slipher）通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了大量螺旋星云的光譜存在紅移現(xiàn)象。當(dāng)星星遠(yuǎn)離我們而去時(shí)，它發(fā)出的光在我們看來(lái)波長(zhǎng)會(huì)更長(zhǎng)，光譜向紅端移動(dòng)，這叫做紅移，這說(shuō)明這些星云正在以非?？斓乃俣冗h(yuǎn)離我們。而當(dāng)星星向我們靠近，它發(fā)出的光在我們看來(lái)波長(zhǎng)會(huì)更短，光譜向藍(lán)端移動(dòng)，這叫做藍(lán)移。

紅移、藍(lán)移示意圖

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

如今，我們已經(jīng)知道，螺旋星云其實(shí)就是獨(dú)立于銀河系外的其他星系，但是當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家對(duì)此存在爭(zhēng)議，他們甚至不知道銀河系是否就是宇宙的全部，因此并沒(méi)有將觀測(cè)到的星云紅移與宇宙演化聯(lián)系在一起。

轉(zhuǎn)機(jī)發(fā)生在20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家哈勃（E. Hubble）通過(guò)造父變星測(cè)距方法測(cè)量了許多星云與我們之間的距離。他發(fā)現(xiàn)這些星云離我們太過(guò)遙遠(yuǎn)以至于不可能屬于銀河系的范圍之內(nèi)，以此證明了星云是獨(dú)立于銀河系的其他星系，否定了銀河系在宇宙中的特殊地位。

實(shí)際上，從地心說(shuō)到日心說(shuō)再到銀河系孤島說(shuō)，所有認(rèn)為人類所在之處地位特殊的觀點(diǎn)最終都被天文觀測(cè)結(jié)果所否定。我們所在的地球，或者太陽(yáng)系、銀河系，在茫茫宇宙中也只是一粒普通得不能再普通的塵埃罷了，并沒(méi)有什么特殊的地位?？梢哉f(shuō)，在極大的尺度上，沒(méi)有任何一個(gè)位置、任何一個(gè)方向在宇宙中是特殊的。這種觀點(diǎn)最終上升成為了所謂的“宇宙學(xué)原理”——即認(rèn)為宇宙在極大尺度上是均勻且各向同性的（各向同性是指從各個(gè)方向上觀測(cè)到的宇宙都幾乎相同）。

1929年，哈勃將自己對(duì)星系距離的測(cè)量和對(duì)星系紅移量的測(cè)量結(jié)合在了一起。他發(fā)現(xiàn)紅移量與星系的距離大致成正比關(guān)系，即離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度越快。這意味著什么呢？由于我們所處的位置在宇宙中并不具有特殊的地位，所以這個(gè)結(jié)論應(yīng)當(dāng)是普適的。也就是說(shuō)，任何兩個(gè)相距足夠遙遠(yuǎn)的星系之間實(shí)際上都會(huì)相互遠(yuǎn)離，且遠(yuǎn)離的速度正比于星系之間的距離。這在后來(lái)被稱為哈勃定律。它向我們揭示了一個(gè)事實(shí)：宇宙的空間本身正在膨脹。

哈勃定律：宇宙膨脹造成星系之間遠(yuǎn)離的速度正比于星系之間的距離。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

宇宙是怎么膨脹的？

讓我們用氣球作為一種類比。氣球的表面可以類比一個(gè)二維化的宇宙空間，注意是氣球表面而不是內(nèi)部。我們?cè)谝粋€(gè)巨大氣球的表面隨機(jī)且均勻地放上許多螞蟻，它們就代表著相距遙遠(yuǎn)的星系。當(dāng)氣球充氣時(shí)，氣球的表面就會(huì)膨脹拉伸，從而氣球上所有相距足夠遠(yuǎn)的螞蟻都會(huì)相互遠(yuǎn)離，且相距越遠(yuǎn)的螞蟻之間遠(yuǎn)離的速度越快。

當(dāng)然，螞蟻本身相對(duì)氣球也會(huì)有緩慢的移動(dòng)，所以如果一些相距太近的螞蟻本身的速度大于氣球膨脹帶來(lái)的遠(yuǎn)離速度，它們可能就會(huì)相互靠近而不是遠(yuǎn)離。但是，相距足夠遙遠(yuǎn)的螞蟻之間一定是相互遠(yuǎn)離的。

宇宙膨脹的氣球類比。膨脹會(huì)造成遙遠(yuǎn)星系相互遠(yuǎn)離，并使宇宙中傳播的光波紅移。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

宇宙膨脹的幾何描述和這個(gè)是類似的，只不過(guò)宇宙是三維的，它可能要借助“四維氣球”的三維表面或者其他復(fù)雜的三維曲面才能描述。有一種誤解認(rèn)為宇宙膨脹是像炸彈爆炸般由某一個(gè)空間點(diǎn)向四周發(fā)散。這是不對(duì)的。我們可以看到在氣球的類比中，氣球上螞蟻的位置幾乎是固定的，只是螞蟻之間的空間在擴(kuò)大。這是一種處處均勻的膨脹，而不是像炸彈爆炸那樣有一個(gè)中心點(diǎn)。實(shí)際上，一個(gè)均勻各向同性的宇宙就是沒(méi)有中心的。

宇宙膨脹意味著宇宙的尺度是時(shí)間的函數(shù)。在宇宙學(xué)中，我們習(xí)慣用字母 來(lái)表示宇宙的空間尺度，用字母 來(lái)表示時(shí)間，那么函數(shù) 就描述了宇宙尺度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

宇宙尺度 是一個(gè)相對(duì)的尺度，需要規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)，然后才能探討相對(duì)這個(gè)基準(zhǔn)的變化。比如說(shuō)，我們可以把今天的宇宙尺度規(guī)定為 ，如果未來(lái)某個(gè)時(shí)刻宇宙的尺度演化至 ，那就意味著宇宙中所有遙遠(yuǎn)星系兩兩之間的距離全都變成了今天它們之間距離的兩倍（前提是星系本身的移動(dòng)可忽略）。反過(guò)來(lái)，如果過(guò)去某個(gè)時(shí)刻宇宙的尺度是 ，那就意味著那個(gè)時(shí)候遙遠(yuǎn)星系之間的距離只有現(xiàn)在時(shí)刻的1/2。

宇宙尺度作為時(shí)間的函數(shù)。這里我們?cè)O(shè)宇宙今天的尺度為1，從宇宙誕生后3萬(wàn)年開(kāi)始繪制。

（圖片來(lái)源：作者自繪）

宇宙膨脹也有快慢之分。在宇宙誕生初期，原子剛剛形成的時(shí)候，宇宙的膨脹速度是非?？斓?。那時(shí)宇宙的尺度只需要花費(fèi)幾十萬(wàn)年的時(shí)間就可以增大一倍。而現(xiàn)在，宇宙的膨脹速度相比它誕生初期要慢很多——宇宙尺度增大一倍需要花費(fèi)幾十億年的時(shí)間。

需要強(qiáng)調(diào)，這里說(shuō)的“膨脹速度”和我們常說(shuō)的物體的運(yùn)動(dòng)速度不是一個(gè)概念，它是單位時(shí)間內(nèi)宇宙尺度膨脹的倍率，和運(yùn)動(dòng)速度是不可比的。就好比“網(wǎng)速”和運(yùn)動(dòng)速度是不可比的。能夠與運(yùn)動(dòng)速度相比的是宇宙膨脹造成某兩個(gè)星系之間相互遠(yuǎn)離的速度，這個(gè)速度一般被稱為“退行速度”。前面說(shuō)過(guò)，它和兩星系之間的距離成正比。

宇宙膨脹是減速還是加速？

宇宙現(xiàn)在的膨脹速度比誕生初期要慢很多，說(shuō)明宇宙在其演化歷程中的很長(zhǎng)一段時(shí)間里都是在減速膨脹的。換句話說(shuō)，宇宙的“膨脹加速度”是負(fù)的。從直覺(jué)上，這一點(diǎn)很符合常理。由于宇宙的星系之間存在引力的牽制，所以它們之間相互遠(yuǎn)離的速度似乎就應(yīng)當(dāng)是越來(lái)越慢的。從理論上，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論在一定條件下也可以推導(dǎo)出這樣的結(jié)論。

這里我要引入一個(gè)概念——物質(zhì)的狀態(tài)方程，它用符號(hào) 表示。狀態(tài)方程 是物質(zhì)的一種性質(zhì)，它描述的是某種物質(zhì)的能量密度 如何隨宇宙尺度 變化。具體的變化關(guān)系是：能量密度 反比于宇宙尺度 的次方。

物質(zhì)能量密度方程和宇宙膨脹加速度方程

（圖片來(lái)源：作者自繪）

舉個(gè)例子，對(duì)于我們熟悉的星系物質(zhì)，宇宙尺度膨脹為原先的2倍，宇宙的體積因子就會(huì)變?yōu)樵?的3次方倍，也即8倍，星系密度就會(huì)下降為原先的1/8。由此，結(jié)合上一段中的變化關(guān)系，我們可以判斷星系物質(zhì)的狀態(tài)方程就是。

宇宙中有很多種物質(zhì)，可以將它們各自的狀態(tài)方程按照它們?cè)谟钪嬷械谋壤訖?quán)平均，得到宇宙整體的狀態(tài)方程。這個(gè)整體的狀態(tài)方程就決定了宇宙膨脹的加速度。從廣義相對(duì)論可以證明，宇宙膨脹加速度的正負(fù)號(hào)與的正負(fù)號(hào)相反。這就是說(shuō)，如果宇宙中物質(zhì)的整體狀態(tài)方程，宇宙就會(huì)減速膨脹。而如果，宇宙就會(huì)加速膨脹

剛才我們提到，星系物質(zhì)的狀態(tài)方程。因此根據(jù)上面的討論，我們可以得到這樣一個(gè)結(jié)論：一個(gè)被星系物質(zhì)所主導(dǎo)的宇宙應(yīng)當(dāng)是減速膨脹的

按照這樣的理論，如果今天的宇宙仍然是被星系物質(zhì)所主導(dǎo)的，那么宇宙現(xiàn)在時(shí)刻也應(yīng)當(dāng)和之前一樣是在減速膨脹的。實(shí)際上，在上個(gè)世紀(jì)的絕大多數(shù)時(shí)間里，宇宙學(xué)家們也普遍相信這一推論。畢竟，我們的宇宙如果不是被星系物質(zhì)所主導(dǎo)，還能被什么東西所主導(dǎo)呢？然而，上世紀(jì)末的一系列天文觀測(cè)結(jié)果顛覆了人們的認(rèn)知。有兩個(gè)世界頂尖的天文研究團(tuán)隊(duì)幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)——我們的宇宙竟然正在加速膨脹！

測(cè)量宇宙的膨脹加速度

發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹的兩個(gè)天文研究團(tuán)隊(duì)分別叫做“超新星宇宙學(xué)計(jì)劃”和“高紅移超新星搜尋團(tuán)隊(duì)”。他們都是通過(guò)觀測(cè)大量的Ia型超新星來(lái)測(cè)量宇宙近幾十億年來(lái)膨脹速度的變化。Ia型超新星是一種發(fā)生了劇烈爆炸的白矮星，它在爆炸之前會(huì)吸積附近伴星的物質(zhì)，使得它的質(zhì)量越來(lái)越大。當(dāng)它的質(zhì)量達(dá)到錢(qián)德拉塞卡極限（約1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量），它就會(huì)坍縮并觸發(fā)內(nèi)部的碳核聚變，劇烈的核爆炸會(huì)將整顆白矮星炸碎，并釋放出極其耀眼的光芒。

Ia型超新星示意圖。左邊是它在爆炸前的景象，右下角那顆較小的星星是白矮星，可以看到它正在吸積附近的一顆巨大的伴星。右邊是Ia型超新星爆炸數(shù)天后的景象。

（圖片來(lái)源：歐洲南方天文臺(tái)）

由于每一顆Ia型超新星都是在質(zhì)量達(dá)到1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)發(fā)生爆炸，所以它們發(fā)出光芒的絕對(duì)亮度幾乎都是相同的，只是我們看到的視亮度會(huì)因?yàn)槌滦怯羞h(yuǎn)有近而有所區(qū)別——離我們近的超新星看上去會(huì)亮一些，遠(yuǎn)的看上去會(huì)暗一些。視亮度會(huì)按照距離的平方反比衰減。因此，Ia型超新星可以作為一種標(biāo)準(zhǔn)燭光來(lái)實(shí)現(xiàn)星際距離的測(cè)量。

假如我們測(cè)量到某個(gè)Ia型超新星的視亮度，但是不知道它距離我們有多遠(yuǎn)，我們就可以將它的視亮度與Ia型超新星的絕對(duì)亮度（或者說(shuō)在某個(gè)確定距離下的亮度）進(jìn)行對(duì)比，然后根據(jù)視亮度隨距離的衰減規(guī)律就可以判斷這顆超新星距離我們有多遠(yuǎn)。

同時(shí)，Ia型超新星的光譜紅移也是可以測(cè)量的。光譜紅移很大程度上是宇宙膨脹造成的，它可以反映出超新星在爆炸時(shí)（這是遙遠(yuǎn)過(guò)去的某個(gè)時(shí)刻）遠(yuǎn)離我們的退行速度。一顆超新星的光譜紅移量越大，說(shuō)明它在爆炸時(shí)刻相對(duì)我們的退行速度越快。將大量Ia型超新星的亮度和紅移的測(cè)量值結(jié)合起來(lái)，我們就可以知道不同距離處的超新星在爆炸時(shí)正在以多快的速度遠(yuǎn)離我們。這樣一來(lái)，我們就可以推出宇宙在遙遠(yuǎn)過(guò)去各個(gè)時(shí)刻的膨脹速度，從而判斷宇宙的膨脹正在減速還是加速。

1998年，兩個(gè)天文研究團(tuán)隊(duì)先后發(fā)布了對(duì)大量Ia型超新星的距離和紅移的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果展示在下面這張圖中。

觀測(cè)到Ia型超新星的紅移-距離關(guān)系。大部分超新星的紅移量偏低，更符合加速膨脹的宇宙所預(yù)言的紅移-距離曲線（黑色曲線）。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

可以看到圖中有三條曲線。其中，中間那一條紫色的線根據(jù)理論計(jì)算得出，表示在假設(shè)宇宙勻速膨脹條件下，超新星紅移和距離之間的關(guān)系。如果宇宙是減速膨脹的，那么說(shuō)明過(guò)去宇宙的膨脹速度比現(xiàn)在快。這意味著相同距離處星星的退行速度也更快，光譜的紅移量會(huì)更大，紅移-距離曲線會(huì)更類似于圖中偏左上方的紅色曲線。而如果宇宙的膨脹正在加速，那么說(shuō)明過(guò)去宇宙的膨脹速度比現(xiàn)在慢，相同距離處星星的退行速度也更慢，光譜紅移更小，紅移-距離曲線會(huì)更偏向于圖中偏右下方的黑色曲線。

圖中黑色的點(diǎn)是測(cè)量得到的大量Ia型超新星的距離和紅移值?？梢钥吹?，絕大多數(shù)的點(diǎn)都集中于黑色曲線的一側(cè)，這說(shuō)明觀測(cè)到的絕大多數(shù)超新星都在加速遠(yuǎn)離我們——我們的宇宙正在加速膨脹！這一結(jié)論推翻了科學(xué)家們先前對(duì)宇宙的判斷，并在后來(lái)的一系列研究中被進(jìn)一步坐實(shí)。領(lǐng)導(dǎo)兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的三位天文學(xué)家因此獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

前面我們說(shuō)，如果宇宙是被星系物質(zhì)所主導(dǎo)的，那么根據(jù)理論公式，宇宙就應(yīng)當(dāng)是減速膨脹的。然而，天文觀測(cè)卻顯示當(dāng)前宇宙的膨脹并沒(méi)有在減速。這說(shuō)明，我們的宇宙當(dāng)前并不是被星系物質(zhì)所主導(dǎo)的。有一些神秘力量正在“占領(lǐng)”我們的宇宙，并推動(dòng)著宇宙越來(lái)越快地膨脹。宇宙學(xué)家們把這種充斥著宇宙的神秘力量稱為——暗能量

暗能量究竟是一種怎樣的存在？未來(lái)它會(huì)如何影響我們的宇宙？讓我們?cè)谙缕薪议_(kāi)它的神秘面紗吧。

參考文獻(xiàn)：

[1]Chaisson, E., & McMillan, S. (2016).今日天文（高健、詹想，譯）. 機(jī)械工業(yè)出版社.

出品：科普中國(guó)

作者：王清揚(yáng)（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)理論物理學(xué)博士）

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