暗能量的相关解释

虽然暗能量存在的证据都来自于间接推测，但有三个主要证据支持：

根据遥远星系距离与红移量的观测，显示宇宙在它演化过程的后半段经历了加速膨胀。

实际观测的宇宙是平坦的，这显示宇宙的物质密度应该近似等于大爆炸理论中的临界密度。但是暗物质和通常物质的观测总量加起来都远远不够，需要有额外的物质贡献质量。

宇宙大尺度质量密度的傅立叶谱支持暗能量存在的假设。

目前通常假设，暗能量在宇宙中各向同性，密度非常小，且不与通常物质发生任何除引力之外的已知的相互作用（即电磁，强，弱相互作用）。暗能量的密度又非常之小，大概10 g/cm3，因此地球上的实验室应当很难直接发现它。但是因为暗能量应该充满了所有的宇宙空间，因此它占宇宙质能总量的68%，这显著地影响了宇宙整体的演化。目前的两类暗物质理论——宇宙常数理论和基本标量场理论，都包含了暗能量的两种重要性质——均匀和负压。

关于暗能量的“负压”

根据广义相对论，造成引力效应的时空弯曲不仅仅受物质的质量影响，也受到物质不同部分之间的应力的影响。其中，压强是物质的应力的一种形式。物质的质量密度、动量密度和物质的应力张量共同组成了物质的能动张量，共同决定了时空曲率。因此，从由广义相对论推导出的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规解中，能看出足够强的负压对宇宙演化的影响：当 w 1 / 3 {\displaystyle w 时，如果宇宙已经在膨胀，负压将使宇宙加速膨胀，而如果宇宙已经收缩，它又将使宇宙停止收缩重新膨胀。

该加速效应有时被称作“引力排斥”，但负压并不会造成个别物质之间的排斥作用，它们仍然是相互吸引的。但是，负压充斥宇宙，却会造成类似宇宙背景时空整体被吹涨的效应，结果是宇宙加速膨胀了。

暗能量存在的具体观测证据

超新星

1998年，高红移超新星搜索队观测组发表了Ia型超新星的观测数据，显示宇宙在加速膨胀。随之，1999年，超新星宇宙学计划证实了该结果。该项工作于2011年获得诺贝尔奖。

Ia型超新星可被视为测量大尺度长度的标准量天尺。这种超新星爆发时的绝对星等都一样，只要观测到他们的视星等，就可以测出它们到地球的距离。而红移量又能体现退行速度。因此可以将距地球不同距离的Ia型超新星的红移量与宇宙学方程的预言值进行比较。取定合适的参数，ΛCDM模型模型比较符合观测。

宇宙微波背景辐射

无论是何种形式的暗能量，它都对宇宙空间大尺度曲率有贡献。对宇宙微波背景辐射的观测，可以测量出宇宙目前的曲率，以及宇宙中暗物质和通常物质的含量。目前的观测结果是，我们的宇宙接近平坦，因此宇宙的总物质量应该接近等于临界密度。但微波背景辐射测出的宇宙暗物质和通常物质的含量仅有该值的30%左右，则剩下的为暗能量。

威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）卫星耗时七年，给出的数据是宇宙物质的72.8%是暗能量，22.7%是暗物质，4.5%是通常物质。2013年，普朗克卫星给出的数据是，68.3%的暗能量、26.8%的暗物质、及4.9%的通常物质 。

大尺度结构

在早期宇宙“光子退耦”发生前，所有物质，包括光子，电子，重子等，都组成了一锅均匀的“等离子体汤”。在其中，所有的粒子自由程都极短，走一点路程就会被其他粒子散射，所以这种等离子体内部的相互作用极强。当然，这种等离子体也不是完全均匀的，上面会有微小的密度涨落。由于暗物质退耦更早，因此那些密度稍大的部分含有更多的暗物质，这些部分吸引周围的物质向其靠近。由于这种早期的等离子体内部相互作用非常强，因此在被吸往密度较大的核心的过程中，会聚集而造成局部压力过大，因此会向周围辐射一种“重子声波震荡”，就如同在水中丢一颗石子，外围产生一圈波纹一样。由于暗物质早就退耦了，除了引力之外它不与等离子体相互作用，因此暗物质留在中心，而等离子体则形成了被暗物质吸引的部分的一个核心，以及周围包裹的压力较大部分的一个壳状密度较大区域，那是“重子声波震荡”的波前。这个壳状区域可以以光速的一半向外扩张。

之后，随着宇宙膨胀，等离子温度下降，光子退耦出去，形成了今天宇宙微波背景辐射的源头，而组成壳状区域的重子和电子物质结合生成原子核。由于失去了光子作为相互作用的传递媒介，重子之间的相互作用开始以引力为主，“壳状区域”不再受波的传播定律的制约，因而扩散停止，被固定住。由于早期宇宙温度几乎是均匀的，而温度下降到某个值时，光子会突然“同时退耦”，因此所有的“壳状区域”都会同时固定，继而只受引力相互作用，只随宇宙膨胀，而不继续向外传播，并且互相干涉，形成宇宙中今天看到的各种复杂结构。这些壳状区域继续不停地吸引落入的物质，形成各种星系，因此我们能在宇宙中观测到各种大小几乎一致的空洞（~150兆秒差距），空洞的周围是一群星系组成的壳。这种空洞也可以作为宇宙的“量天尺”。

2011年，WiggleZ计划调查了银河系附近200,000个星系，利用这些空洞作为标准量天尺校正周围星系与地球的距离，再测量这些星系的红移量，类似前述的超新星测量法，也得出了宇宙在大约70亿年前开始加速膨胀的结论。同时，它给出了目前宇宙的涨落大约为1/10。

萨克斯-瓦福效应

我们目前观测到的宇宙微波背景辐射的光子，在到达探测器之前，走过了很长一段距离。在这段距离上，光子必然受到其附近天体的引力场影响，被红移或蓝移。由于宇宙的物质并不可能完全均匀分布，因此光子经过的路程上将布满很多引力势阱或势垒，这将造成不同方向的背景辐射光子温度产生差异。当然，由于原始宇宙的量子涨落，微波背景辐射的光子本来就存在由此而来的各向异性，这贡献了微波背景辐射各向异性的大部。萨克斯-瓦福效应在此基础上，进一步叠加了一部分各向异性。

宇宙如果加速膨胀，将改变光子运行路上的引力势阱或势垒的构造，因此在光子通过势阱或势垒的过程中，这种变化的信息就体现在光子中。因此微波背景辐射的各项异性，将有助于我们了解宇宙各个方向的情况。2008年，Ho et al. 以及Giannantonio et al. 两个小组分别报道了他们的分析结论，显示宇宙在加速膨胀。

关于对暗能量进行理论解释的尝试

宇宙常数

爱因斯坦的引力场方程并没有禁止一个宇宙常数项。爱因斯坦本人曾引入这一项，使得宇宙存在一个静态解。虽然爱因斯坦本人宣称这是他一生中最严重的错误，但是现在宇宙的加速膨胀效应似乎表明，引力场方程中应该有这么一项，虽然它很小。

当然，这一项可以直接“手放”进引力场方程中，但是大家更希望给它一个解释。宇宙学常数项等效于一种物质，它处处存在，且具有负压强。描述粒子物理的量子场论预言了真空“不空”，它里面充斥了各种虚粒子涨落，因此真空本身当然具有能量，称为“真空能”，这种量子效应导致的真空能即等效于一个宇宙学常数。不幸地是，多数粒子物理理论预言的真空能数值过大，通常比测出的暗能量密度（10 g/cm ）多出120个数量级，因此这也是粒子物理学理论中一个很深刻的问题。

某些粒子物理学理论，比如超对称理论，其中各项真空能项可以被抵消。但这样又带来一个问题，为何真实宇宙中的真空能又没有被精确抵消，而残留了这么一点点呢？当然，超对称必须破缺，因此真空能不可能严格为0。但另一方面，目前超对称理论无法被实验证明是否是正确的，就算它在短期内被加速器实验证实，它仍然还不是一个有效理论，因为超对称破缺的具体机制并不清楚，而这也会强烈影响真空能的大小。能否给出正确的暗能量数值，也将是检验超对称理论的一个重要标准。

标量场理论

我们也可以在理论中直接引入一种标量场（可以被称作“第五元素”），用以驱动宇宙进行加速膨胀。与前述的宇宙常数理论不同，标量场理论允许暗能量有一定的不均匀。为了避免不均匀的程度太大，这种标量场的质量（也就是它拉氏量中的二次项系数）必须很轻，这样才能产生一个大的康普顿波长。

但是，如果认为任何场论都必须被量子化，这种标量场理论也必须被量子化。但是标量量子场论的质量并不是稳定的，也就是说，辐射修正不能保证标量场在重整化后的质量项仍然很小，这样，理论面临困难。

某些标量场理论能回答，“为何宇宙加速膨胀恰好能被我们观测到？”这个问题。如果宇宙加速膨胀得稍微早一点，那么在银河系形成之前，物质就已经由于宇宙的加速膨胀而互相分离，不能再凝聚成任何星系系统，也就不能产生人类了。这些标量场理论具有一种称为“tracker”的性质，“tracker”的意思类似追踪，追踪的对象是宇宙中的辐射。在宇宙早期辐射为主时期，这种标量场并不表现任何效应，也就是跟着“追踪着辐射走”，当辐射逐渐被宇宙膨胀稀释，密度降到物质密度以下，就触发了这种标量场开始产生效应，推动宇宙逐渐加速膨胀。

对于宇宙加速膨胀历史的考察，可以了解暗能量的状态方程，进而定出它压强和密度的关系。在自然单位制下，宇宙常数理论语言压强的数值严格等于密度(w=-1)。2004年，一项研究似乎观测到了一点偏离。

一些标量场理论被称作“phantom energy”，它们预言暗能量密度将随时间的流逝而不断增加，甚至能最终导致“大撕裂”。另一些理论则非常大胆地将标量场的动能项写成负的。

参见

暗物质

宇宙学常数

零点能量

希格斯场

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