暗能量是宇宙中一种神秘的成分，它正在加速宇宙的膨胀。尽管暗能量构成了宇宙总能量密度的大部分，但它的确切性质仍然是现代物理学和宇宙学中最大的未解之谜之一。自20世纪90年代末通过对遥远超新星的观测发现暗能量以来，它彻底改变了我们对宇宙演化的理解，并激发了理论和观测领域的深入研究。
在本文中，我们将探讨：
- 历史背景和宇宙常数
- 来自Ia型超新星的证据
- 互补探测：CMB和大尺度结构
- 暗能量的本质：ΛCDM 及其替代方案
- 观察上的紧张局势和当前的争论
- 未来展望与实验
- 结论
1. 历史背景和宇宙常数
1.1 爱因斯坦的“最大失误”
1917 年，制定 广义相对论， 阿尔伯特·爱因斯坦 引入了一个术语，称为 宇宙常数（Λ） 在他的场方程[1]中。当时，主流观点认为宇宙是静态的、永恒的。爱因斯坦在场方程中加入了Λ，以平衡宇宙尺度上的引力，从而确保了静态解。但在1929年， 埃德温·哈勃 表明星系正在远离我们，暗示宇宙正在膨胀。据报道，爱因斯坦后来将宇宙常数称为他“最大的错误”，认为一旦宇宙膨胀理论被接受，宇宙常数就不再必要了。
1.2 非零 Λ 的早期迹象
尽管爱因斯坦对此感到遗憾，但非零宇宙常数的概念并没有消失。在随后的几十年里，物理学家们在以下背景下考虑了这个问题： 量子场论，其中真空能量可以对空间本身的能量密度做出贡献。然而，直到20世纪末，都没有强有力的观测证据表明宇宙的膨胀正在加速——因此Λ仍然只是一个有趣的可能性，而非一个确凿的现实。
2. Ia型超新星的证据
2.1 加速宇宙膨胀（20 世纪 90 年代末）
20 世纪 90 年代末，两个独立的合作项目—— 高红移超新星搜寻队 以及 超新星宇宙学项目—正在测量远距离 Ia型超新星这些超新星充当着“标准烛光”（或者更准确地说，可标准化烛光），因为它们的固有光度可以通过光变曲线推断出来。
科学家们原本预计宇宙的膨胀速度会在引力作用下减慢。结果却发现，遥远的超新星 比预期的要暗——这意味着它们的距离比减速模型预测的要远。令人震惊的结论是： 宇宙膨胀正在加速 [2, 3]。
主要结果： 一定存在一种排斥性的、“类似反重力”的效应来克服宇宙减速，现在被广泛称为 暗能量。
2.2 诺贝尔奖认可
这些变革性的发现使得 2011 年诺贝尔物理学奖授予 索尔·珀尔马特， 布莱恩·施密特， 和 亚当·里斯 发现了宇宙加速膨胀。一夜之间，暗能量从一个推测性的概念变成了我们宇宙模型的核心特征。
3. 互补探测：CMB和大尺度结构
3.1 宇宙微波背景辐射（CMB）
超新星爆发后不久， 气球载运 实验，例如 回旋镖 和 千里马，随后是卫星任务，例如 威尔金斯-梅隆大学 和 普朗克，提供了极其精确的测量 宇宙微波背景 （CMB）。这些观测表明宇宙是 几乎空间平坦—i.e，总能量密度参数 Ω ≈ 1。然而，物质含量（重子和暗物质）仅为约 Ω米 ≈0.3。
含义： 达到Ω全部的 = 1，则必定有另一个成分——暗能量——贡献约 ΩΛ ≈0.7[4,5]。
3.2 重子声振荡（BAO）
重子声学振荡（BAO） 星系分布的异常现象为宇宙膨胀提供了另一个独立的探测途径。通过比较这些“声波”在不同红移下印刻在大尺度结构中的观测尺度，天文学家可以重建宇宙膨胀随时间演变的过程。类似这样的巡天观测结果 斯德巴赫决策支持系统 （斯隆数字巡天）和 易博思 同意超新星和 CMB 的发现：宇宙由暗能量成分主导，并驱动后期加速 [6]。
4. 暗能量的本质：ΛCDM 及其替代方案
4.1 宇宙常数
暗能量最简单的模型是 宇宙常数 Λ。在这幅图中，暗能量是弥漫在整个空间的恒定能量密度。这导致了状态方程参数w = p/ρ = −1，其中p是压力，ρ是能量密度。这样的分量自然会导致加速膨胀。 ΛCDM模型 （Lambda 冷暗物质）是目前流行的宇宙学框架，包括暗物质（CDM）和暗能量（Λ）。
4.2 动态暗能量
尽管取得了成功，Λ 也带来了一些理论难题，尤其是 宇宙常数问题——量子场论预测的真空能量密度比观测到的要大很多个数量级。这引发了其他理论的出现：
- 精髓：缓慢滚动的标量场，具有不断变化的能量密度。
- 幻象能量：带有 w 的字段 < −1。
- k精华：用非规范动力学术语概括精髓。
4.3 修正重力
一些物理学家并不打算引入新的能量成分，而是建议在大尺度上改变引力，例如 f(R) 理论， DGP膜或其他修改 广义相对论虽然这些模型有时可以模拟暗能量的影响，但它们也必须通过严格的局部重力测试，并与结构形成、透镜和其他观测的数据相匹配。
5. 观察上的紧张局势和当前的争论
5.1 哈勃张力
作为测量 哈勃常数 （H0)变得更加精确，出现了差异。 普朗克 卫星数据（根据 ΛCDM 下的 CMB 推断）表明 H0 ≈ 67.4 ± 0.5 公里/秒−1 平均每平方厘米−1，而局部距离阶梯测量（e.g., SH0ES 合作）找到H0 ≈ 73。这个~5σ张力可能暗示 新物理学 在暗能量领域，或者标准模型没有捕捉到的其他微妙之处[7]。
5.2 宇宙剪切和结构生长
弱引力透镜调查可以绘制大尺度结构的增长情况，有时会显示出与基于 CMB 衍生参数的 ΛCDM 预期略有不一致的情况。这些差异虽然不如哈勃张力那么明显，但却引发了对暗能量或中微子物理学可能进行的修改，或对数据分析中微妙的系统性的讨论。
6. 未来展望与实验
6.1 即将进行的太空任务
欧几里得（欧空局）：计划测量广阔天空区域的星系形状和红移，改善对暗能量状态方程和大尺度结构形成的约束。
南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（美国国家航空航天局）：将进行广域成像和光谱分析，以前所未有的精度研究 BAO 和弱透镜效应。
6.2 地面勘测
维拉·C·鲁宾天文台 （空间与时间遗产调查，LSST）：将绘制数十亿个星系的地图，测量微弱的透镜信号和超新星爆发率到新的深度。
德西 （暗能量光谱仪）：将为数百万个星系和类星体提供精确的红移测量。
6.3 理论突破
物理学家们持续完善暗能量模型，尤其是那些允许w(z)演化的类精髓理论。统一引力和量子力学（弦理论、圈量子引力等）的努力或许能为真空能量提供更深入的理解。任何明确偏离w = −1的理论都将是一个里程碑式的发现，指向真正全新的基础物理学。
7. 总结
宇宙中超过 70% 的能量似乎以 暗能量但我们仍然缺乏对它究竟是什么的明确理解。从 爱因斯坦宇宙常数 从 1998 年令人惊叹的超新星研究结果到持续进行的宇宙结构精确测量，暗能量已经成为 21 世纪宇宙学的基石，也是通向潜在革命性物理学的门户。
探索暗能量的探索，体现了前沿观测与理论创新的交汇。随着强大的新型望远镜和实验的投入使用——测量越来越遥远的超新星，以前所未有的细节绘制星系图，并以极高的精度监测宇宙微波背景——科学家们正站在重大发现的门槛上。无论答案是一个简单的宇宙常数、一个动态标量场，还是修正的引力定律，解决…… 暗能量之谜 将永远改变我们对宇宙和时空基本性质的理解。
参考文献及延伸阅读
爱因斯坦，A.（1917 年）。 “Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinen Relativitätstheorie”。 普鲁士国王科学院院士，142–152。
Riess, AG 等人（1998 年）。 “超新星观测到的加速宇宙和宇宙常数的证据。” 《天文学杂志》， 116，1009–1038。
珀尔穆特，S.，等人。 （1999）。 “对 42 颗高红移超新星的 Ω 和 Λ 进行测量。” 《天体物理学杂志》， 517，565–586。
德伯纳迪斯，P.，等人。 （2000）。 “从宇宙微波背景辐射的高分辨率地图看平坦的宇宙。” 自然， 404，955–959。
Spergel, DN 等人（2003 年）。 “威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）第一年的观测：宇宙学参数的确定。” 天体物理学杂志增刊系列， 148，175–194。
爱森斯坦，DJ 等。 （2005）。 “在 SDSS 明亮红色星系的大尺度相关函数中检测重子声学峰。” 《天体物理学杂志》， 633，560–574。
Riess, AG 等人（2019 年）。 “大麦哲伦云造父变星标准为确定哈勃常数提供了 1% 的基础，并为 ΛCDM 以外的物理学提供了更有力的证据。” 《天体物理学杂志》， 876，85。
其他资源
弗里曼，JA，特纳，MS， & Huterer，D.（2008）。 “暗能量和加速膨胀的宇宙。” 天文学和天体物理学年度评论， 46，385–432。
温伯格，S.（1989）。 “宇宙常数问题。” 现代物理学评论， 61，1–23。
卡罗尔，SM（2001）。 “宇宙常数。” 相对论中的生活评论， 4，1.
从 宇宙微波背景 测量 Ia型超新星 调查和 星系红移 随着暗能量的出现，暗能量存在的证据已变得愈发确凿。然而，一些基本问题——例如它的起源、它是否真正恒定不变，以及它如何融入量子引力理论——仍然悬而未决。解决这些谜题可能预示着理论物理学将迎来一个突破性的新时代，并将加深我们对宇宙的理解。