1、暗能量百科名片暗能量的作用暗能量它是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量与万有引力来推动的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因为它在宇宙的结构中约占 73%，占绝对统治地位。暗能量是宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的“暗能量”。目录暗能量简介 概念的起源 暗能量形成 发现的过程 暗能量模型 宇宙的未来 研究的意义 目前的争论 1. 暗物质和暗能量之谜2. 确认暗能量存在3. 揭示暗能量奥秘宇宙大撕裂 展开
2、暗 能 量 简 介宇 宙 外 围 为 反 引 力 (斥 力 )-暗 能 量 埸宇 宙 学 中 ， 暗 能 量 是 某 些 人 的 猜 想 ， 指 一 种 充 溢 空 间 的 、 具有 负 压 强 的 能 量 。 按 照 相 对 论 ， 这 种 负 压 强 在 长 距 离 类 似 于 一 种反 引 力 。 这 个 猜 想 是 解 释 宇 宙 加 速 膨 胀 和 宇 宙 中 失 落 物 质 等 问 题的 一 个 最 流 行 的 方 案 。 天 文 学 家 埃 德 温 哈 勃 发 现 宇 宙 中 的 其 它 星系 似 乎 都 在 向 着 距 离 人 们 生 活 的 银 河 系 越 来 越 远 的 方
3、 向 移 动 。 而且 它 们 移 动 的 越 远 ， 运 行 的 速 度 就 越 快 。 但 是 ， 天 体 物 理 学 家 此前 曾 经 指 出 ， 引 力 会 使 得 宇 宙 的 膨 胀 速 度 逐 渐 减 缓 。 之 后 在1998 年 ， 两 个 研 究 小 组 通 过 观 察 Ia 型 超 新 星 种 罕 见 的 恒 星 爆炸 的 现 象 ， 能 够 释 放 出 数 量 巨 大 的 ， 持 久 的 光 颠 覆 了 天 体 物理 学 家 提 出 的 理 论 。 通 过 仔 细 测 量 来 自 这 些 活 动 的 光 是 怎 样 向 着 可 见 光 谱 中 红 色的 一 端 变 化 的
4、 类 似 于 当 火 车 汽 笛 声 离 你 越 来 越 远 时 ， 声 调 也会 越 来 越 低 的 “多 普 勒 效 应 ”。 “真 空 ”（ 有 科 学 家 认 为 “真 空 ”不 空 ）空 间 本 身 似 乎 也 在 作 为 一 种 能 够 将 物 质 分 离 开 来 的 力 量 起 作 用 。 暗 能 量 主 要 有 两 种 模 型 ： 宇 宙 学 常 数 （ 即 一 种 均 匀 充 满 空 间的 常 能 量 密 度 ） 和 quintessence（ 即 一 个 能 量 密 度 随 时 空 变 化 的动 力 学 场 ） 。 区 分 这 两 种 可 能 需 要 对 宇 宙 膨 胀 的
5、 高 精 度 测 量 和 对 膨胀 速 度 随 时 间 变 化 更 深 入 的 理 解 。 因 为 宇 宙 膨 胀 速 度 由 宇 宙 学 物态 方 程 来 描 写 ， 所 以 测 量 暗 物 质 的 物 态 方 程 是 当 今 观 测 宇 宙 学 的最 主 要 问 题 之 一 。 暗 能 量在 物 理 宇 宙 学 中 ， 暗 能 量 是 一 种 充 溢 空 间 的 、 增 加 宇 宙 膨 胀速 度 的 难 以 察 觉 的 能 量 形 式 。 暗 能 量 假 说 是 当 今 对 宇 宙 加 速 膨 胀的 观 测 结 果 的 解 释 中 最 为 流 行 的 一 种 1。 在 宇 宙 标 准 模
6、型 中 ， 暗能 量 占 据 宇 宙 73%的 质 能 。 暗 能 量 现 有 两 种 模 型 ： 宇 宙 学 常 数 （ 即 一 种 均 匀 充 满 空 间 的常 能 量 密 度 ） 和 标 量 场 （ 即 一 个 能 量 密 度 随 时 空 变 化 的 动 力 学 场 ，如 第 五 元 素 和 模 空 间 ） 。 对 宇 宙 有 恒 定 影 响 的 标 量 场 常 被 包 含 在 宇宙 常 数 中 。 宇 宙 常 数 在 物 理 上 等 价 于 真 空 能 量 。 在 空 间 上 变 化 的标 量 场 很 难 从 宇 宙 常 数 中 分 离 出 来 ， 因 为 变 化 太 缓 慢 了 。
7、对 宇 宙 膨 胀 的 高 精 度 测 量 可 以 使 我 们 对 膨 胀 速 度 随 时 间 变 化有 更 深 入 的 理 解 。 在 广 义 相 对 论 中 ， 膨 胀 速 度 的 变 化 受 宇 宙 状 态方 程 式 的 影 响 。 确 定 暗 物 质 的 状 态 方 程 式 是 当 今 观 测 宇 宙 学 的 最主 要 问 题 之 一 。 加 入 宇 宙 学 常 数 后 ， 宇 宙 学 标 准 罗 伯 逊 -沃 尔 克 度 规 可 以 导出 -冷 暗 物 质 模 型 ， 后 者 因 与 观 测 结 果 的 精 确 吻 合 而 被 称 为 宇 宙“标 准 模 型 ”。 暗 物 质 被 认
8、 为 是 当 今 形 式 化 宇 宙 循 环 模 型 的 至 关 重要 的 一 个 因 素 。 暗 能 量 这 个 名 词 是 由 迈 克 透 纳 引 进 的 。 概 念 的 起 源关 于 暗 能 量 概 念 的 起 源 ， 还 得 追 溯 到 科 学 巨 匠 爱 因 斯 坦 他 在1917 年 由 他 在 两 年 前 提 出 的 广 义 相 对 论 导 出 的 一 组 引 力 方 程 式 ，方 程 式 的 结 果 都 预 示 着 宇 宙 是 在 做 永 恒 的 运 动 ， 这 个 结 果 与 爱 因斯 坦 的 宇 宙 是 静 止 的 观 点 相 违 背 ， 为 了 使 这 个 结 果 能 预
9、 示 宇 宙 是呈 静 止 状 态 爱 因 斯 坦 又 给 方 程 式 引 入 了 一 个 项 ， 这 个 项 称 之 为 的“宇 宙 常 数 ”。 1997 年 12 月 ， 作 为 “大 红 移 超 新 星 搜 索 小 组 ”的 成 员 的 哈 佛大 学 天 文 学 家 罗 伯 特 基 尔 希 纳 根 据 超 新 星 的 变 化 显 示 ， 宇 宙 膨 胀速 度 非 但 没 有 在 自 身 重 力 下 变 慢 反 而 在 一 种 看 不 见 的 、 无 人 能 解释 的 、 神 秘 力 量 的 控 制 、 推 动 下 变 快 ， 人 们 只 是 猜 测 ： 所 处 的 这个 宇 宙 可 能
10、 处 于 一 种 人 类 还 不 了 解 、 还 未 认 识 到 的 继 目 前 物 质 的固 态 、 液 态 、 气 态 、 “场 态 ”之 后 另 一 种 物 质 状 态 的 物 质 控 制 、 作 用之 下 ， 这 种 物 质 不 同 于 普 通 物 质 的 一 切 属 性 及 其 存 在 和 作 用 机 制 ，这 种 “物 质 ”因 其 绝 对 不 同 于 人 们 所 熟 知 的 普 通 暗 能 量物 质 态 ， 故 而 科 学 家 为 了 区 分 它 们 暂 且 将 它 称 之 为 “暗 物 质 ”、 将其 具 备 的 作 用 称 之 为 “暗 能 量 ”， “暗 物 质 ”就 成
11、为 当 今 天 文 学 界 、 宇宙 学 界 和 物 理 学 界 等 等 科 学 界 中 最 大 的 谜 团 之 一 。 后 来 人 们 经 过哈 勃 空 间 望 远 镜 观 测 发 现 ， 事 实 上 宇 宙 是 在 不 断 膨 胀 着 的 并 且 这一 观 测 结 果 完 全 与 引 入 “宇 宙 常 数 ”之 前 的 引 力 方 程 的 计 算 结 果 相符 合 ， 爱 因 斯 坦 得 知 “实 际 上 的 宇 宙 是 在 膨 胀 着 的 ”这 个 消 息 后 非常 后 悔 ， 因 此 他 认 为 ： “引 入 宇 宙 常 数 是 我 这 一 生 所 犯 的 最 大 错 误 ！”现 在
12、看 来 ， 他 的 结 论 下 得 过 早 。 此 后 那 个 “宇 宙 常 数 ”便 被 人 们所 遗 忘 ， 后 来 的 一 次 天 文 探 测 宇 宙 可 能 在 加 速 膨 胀 ， 这 就 预 示 着宇 宙 中 存 在 着 某 种 “巨 大 的 东 西 ”， 此 后 这 个 “宇 宙 常 数 ”被 赋 予“暗 能 量 ”的 含 义 。 当 科 学 家 们 一 再 通 过 各 种 的 观 测 和 计 算 证 实 ，暗 能 量 在 宇 宙 中 的 确 约 占 到 73%暗 物 质 约 占 到 23%普 通 物 质 仅 占到 4%， 这 可 是 一 个 惊 人 的 数 字 和 消 息 ， 这
13、 将 预 示 着 人 们 看 到 的宇 宙 、 认 识 到 的 宇 宙 只 占 整 个 宇 宙 的 4%的 比 例 ， 而 占 96%(57年 诺 贝 尔 奖 得 主 李 政 道 先 生 甚 至 还 认 为 是 99%以 上 )的 东 西 竟 然是 不 为 我 们 所 知 道 的 。 关 于 暗 物 质 和 暗 能 量 的 客 观 存 在 性 1957年 诺 贝 尔 奖 得 主 李 政 道 先 生 在 他 所 著 的 物 理 学 的 挑 战 中 已 经详 细 而 全 面 的 论 证 了 。 在 新 世 纪 之 初 美 国 国 家 研 究 委 员 会 发 布 一 份 题 为 建 立 夸 克与 宇
14、 宙 的 联 系 ： 新 世 纪 11 大 科 学 问 题 的 研 究 报 告 ， 科 学 家 们在 报 告 中 认 为 ， 暗 物 质 和 暗 能 量 应 该 是 未 来 几 十 年 天 文 学 研 究 的重 中 之 重 ， “暗 物 质 ”的 本 质 问 题 和 “暗 能 量 ”的 性 质 问 题 在 报 告 所 列出 的 11 个 大 问 题 中 分 列 为 第 一 、 第 二 位 。 美 国 航 天 局 在 轨 道 中 运 行 的 威 尔 金 森 微 波 仪 探 测 卫 星 收 集 到的 材 料 也 证 明 超 新 星 在 发 生 同 样 的 变 化 。 这 些 变 化 的 含 义 的
15、 确 令科 学 家 忐 忑 不 安 ， 因 为 这 将 预 示 着 爱 因 斯 坦 、 霍 金 等 理 论 家 可 能都 错 了 ， 影 响 并 决 定 整 个 宇 宙 的 力 量 不 是 引 力 和 重 力 等 已 知 作 用力 ， 而 是 以 “宇 宙 常 量 ”形 式 存 在 的 “暗 能 量 ”和 “暗 物 质 ”。 所 以 有人 认 为 ， 暗 能 量 在 宇 宙 中 更 像 是 一 种 背 景 和 一 种 “超 导 体 ”， 它 就像 是 空 气 相 对 于 人 类 或 者 是 大 海 相 对 于 鱼 儿 一 样 ， 故 尔 在 宇 宙 物理 学 上 它 的 确 表 现 得 更 像
16、 一 个 真 空 ， 因 此 也 有 人 把 “暗 能 量 ”称 之为 “真 空 能 ”。 真 空 是 不 是 就 是 “暗 能 量 ”？ “暗 能 量 ”是 不 是 就 是“真 空 能 ”呢 ？ 如 果 真 空 真 是 “暗 能 量 ”那 么 就 应 该 具 备 一 切 能 量 的基 本 属 性 和 基 本 特 征 力 量 。 可 见 真 空 是 否 具 备 力 的 特 征 和 力 的属 性 也 就 成 为 “暗 能 量 ”成 为 真 空 的 前 提 条 件 。 综 上 所 述 可 以 看 出 ， 所 有 矛 盾 的 焦 点 都 集 中 在 真 空 是 否 具 备力 的 属 性 这 个 问
17、题 上 ， 如 果 真 空 一 旦 被 证 明 具 备 力 的 属 性 ， 那 么“真 空 力 ”就 成 为 独 立 于 万 有 引 力 、 电 磁 力 、 强 力 和 弱 力 之 后 在 自然 界 中 普 遍 存 在 着 的 第 五 种 自 然 作 用 力 即 “第 五 种 力 ”； 那 么 真 空就 是 物 理 学 史 上 已 经 被 抛 弃 的 “以 太 ”； 而 “以 太 ”其 实 就 是 真 空 的某 一 种 效 应 ； 那 么 真 空 也 就 是 那 个 占 整 个 宇 宙 96%以 上 的 份 额 并控 制 着 整 个 宇 宙 的 神 秘 能 量 “暗 能 量 ”， 这 一 切
18、的 一 切 就 因 为 真空 有 力 而 变 为 现 实 、 变 为 可 知 的 。 故 尔 真 空 是 否 具 备 力 的 属 性 也就 成 为 本 文 的 核 心 中 的 焦 点 。 众 所 周 知 ， 物 理 学 其 本 身 就 是 一 门以 实 验 为 基 础 的 科 暗 能 量学 ， 从 伽 利 略 的 比 萨 斜 塔 实 验 到 迈 克 耳 逊 莫 雷 实 验 ， 在 高 科技 下 的 各 种 高 能 物 理 粒 子 实 验 无 不 说 明 实 验 方 法 在 物 理 学 中 占 据着 非 常 重 要 的 地 位 并 发 挥 着 重 要 的 作 用 。 每 一 个 新 理 论 的
19、背 后 都必 须 有 着 坚 实 的 实 验 作 为 后 盾 ， 每 一 个 新 实 验 现 象 的 出 现 也 必 将引 发 一 套 全 新 的 理 论 体 系 ， 所 以 实 验 是 寻 找 并 证 实 真 空 力 的 属 性的 主 要 方 法 和 途 径 。 另 一 方 面 ， 不 与 辐 射 耦 合 的 暗 物 质 ， 其 微 小 的 涨 落 在 普 通 物质 脱 耦 之 前 就 放 大 了 许 多 倍 。 在 普 通 物 质 脱 耦 之 后 ， 已 经 成 团 的暗 物 质 就 开 始 吸 引 普 通 物 质 。 因 此 这 需 要 一 个 初 始 的 涨 落 ， 但 是它 的 振
20、幅 非 常 非 常 的 小 。 这 里 需 要 的 物 质 就 是 冷 暗 物 质 ， 由 于 它是 无 热 运 动 的 非 相 对 论 性 粒 子 因 此 得 名 。 在 开 始 阐 述 这 一 模 型 的有 效 性 之 前 ， 必 须 先 交 待 一 下 其 中 最 后 一 件 重 要 的 事 情 。 对 于 先前 提 到 的 小 扰 动 （ 涨 落 ） ， 为 了 预 言 其 在 不 同 波 长 上 的 引 力 效 应 ，小 扰 动 谱 必 须 具 有 特 殊 的 形 态 。 为 此 ， 最 初 的 密 度 涨 落 应 该 是 标度 无 关 的 。 也 就 是 说 ， 如 果 把 能 量
21、 分 布 分 解 成 一 系 列 不 同 波 长 的正 弦 波 之 和 ， 那 么 所 有 正 弦 波 的 振 幅 都 应 该 是 相 同 的 。 暴 涨 理 论的 成 功 之 处 就 在 于 它 提 供 了 很 好 的 动 力 学 出 发 机 制 来 形 成 这 样 一个 标 度 无 关 的 小 扰 动 谱 （ 其 谱 指 数 n=1） 。 WMAP 的 观 测 结 果 证实 了 这 一 预 言 ， 其 观 测 到 的 结 果 为 n=0.990.04。 但 是 如 果 人 们 不 了 解 暗 物 质 的 性 质 ， 就 不 能 说 已 经 了 解 了 宇宙 。 现 在 已 经 知 道 了
22、两 种 暗 物 质 中 微 子 和 黑 洞 。 但 是 它 们 对 暗物 质 总 量 的 贡 献 是 非 常 微 小 的 ， 暗 物 质 中 的 绝 大 部 分 现 在 还 不 清楚 。 3 代 中 微 子 -模 型 图暗 能 量 形 成宇 宙 暗 能 量 其 基 本 特 征 是 具 有 负 压 ， 在 宇 宙 空 间 中 几 乎 均 匀分 布 或 完 全 不 结 团 。 在 WMAP 数 据 显 示 ， 暗 能 量 在 宇 宙 中 占 总物 质 的 73%。 值 得 注 意 的 是 ， 对 于 通 常 的 能 量 （ 辐 射 ） 、 重 子 和冷 暗 物 质 ， 压 强 都 是 非 负 的
23、， 所 以 必 定 存 在 着 一 种 未 知 的 负 压 物质 主 导 今 天 的 宇 宙 。 宇 宙 的 运 动 都 是 旋 涡 型 的 ， 所 以 暗 能 量 总 是 以 一 种 旋 涡 运 动的 形 式 出 现 。 所 以 ， 在 暗 能 量 的 旋 转 范 围 内 能 形 成 一 种 旋 涡 场 ，我 们 称 之 为 暗 能 量 旋 涡 场 ， 简 称 为 旋 涡 场 。 用 En 来 表 示 太 阳 系的 暗 能 量 ， 用 Ep 来 表 示 物 质 绕 太 阳 系 中 心 运 动 的 总 动 能 。 当En=Ep 时 ， 太 阳 系 旋 涡 场 处 于 平 衡 状 态 暗 能 量
24、， 它 既 不 会 膨 胀 也 不 会 收 缩 。 但 当 En 衰 退 时 ， 太 阳 系 旋 涡 场 就会 收 缩 ， 太 阳 系 中 所 有 的 行 星 就 会 向 太 阳 靠 近 。 要 提 及 暗 能 量 ， 不 得 不 先 提 及 另 外 一 个 和 它 密 切 相 关 的 概 念暗 物 质 ， 之 所 以 将 其 称 之 为 暗 物 质 而 不 是 物 质 就 是 因 为 它 与 一般 的 普 通 物 质 有 着 根 本 性 的 区 别 。 普 通 物 质 就 是 那 些 在 一 般 情 况下 能 用 眼 睛 或 借 助 工 具 看 的 见 、 摸 得 着 的 东 西 ， 小 到 原 子 、 大 到宇 宙 星 体 ， 近 到 身 边 的 各 种 物 体 远 到 宇 宙 深 处 的 各 种 星 系 。 普 通物 质 总 是 能 与 光 或 者 部 分 波 发 生 相 互 作 用 或 者 在 一 定 的 条 件 下 自身 就 能 发 光 、 或 者 折 射 光 线 ， 从 而 被 人 们 可 以 感 知 、
