暗能量是宇宙中一种神秘的成分，正在导致宇宙膨胀加速。尽管它构成了宇宙总能量密度的大部分，但其确切性质仍是现代物理学和宇宙学中最大的未解之谜之一。自1990年代末通过对遥远超新星的观测发现以来，暗能量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：
- 历史背景与宇宙学常数
- 来自Ia型超新星的证据
- 互补探测：CMB与大尺度结构
- 暗能量的本质：ΛCDM与替代方案
- 观测紧张关系与当前争论
- 未来展望与实验
- 总结思考
1. 历史背景与宇宙学常数
1.1 爱因斯坦的“最大错误”
1917年，在提出 广义相对论 后不久，阿尔伯特·爱因斯坦 在他的场方程中引入了一个被称为 宇宙学常数 (Λ) 的项 [1]。当时，普遍的信念是宇宙是静态且永恒的。爱因斯坦添加Λ以平衡宇宙尺度上引力的吸引力——从而确保一个静态解。但在1929年，埃德温·哈勃 证明星系正在远离我们，暗示宇宙在膨胀。后来据说爱因斯坦称宇宙学常数是他的“最大错误”，认为一旦接受了宇宙膨胀，它就是不必要的。
1.2 非零Λ的早期迹象
尽管爱因斯坦感到遗憾，非零宇宙学常数的想法并未消失。在随后的几十年里，物理学家在 量子场论 的背景下考虑它，其中真空能量可以对空间本身的能量密度产生贡献。然而，直到20世纪末，没有强有力的观测证据表明宇宙的膨胀正在加速——因此Λ仍然是一个引人入胜的可能性，而非确凿的现实。
2. 来自Ia型超新星的证据
2.1 加速膨胀的宇宙（1990年代末）
在1990年代末，两个独立的合作团队——High-Z Supernova Search Team 和 Supernova Cosmology Project——正在测量遥远的 Ia型超新星 的距离。这些超新星作为“标准烛光”（更准确地说，是可标准化的烛光），因为它们的内在光度可以从它们的光变曲线推断出来。
科学家们原本预期宇宙膨胀速率会在引力作用下减速。相反，他们发现遥远的超新星比预期更暗——意味着它们比减速模型预测的更远。令人震惊的结论是：宇宙膨胀正在加速[2, 3]。
关键结果：必须存在一种排斥性的、“反重力般”的效应克服宇宙减速，这种效应现在被广泛称为暗能量。
2.2 诺贝尔奖认可
这些变革性的发现促成了2011年诺贝尔物理学奖授予Saul Perlmutter、Brian Schmidt和Adam Riess，以表彰他们发现宇宙加速膨胀。瞬间，暗能量从一个推测概念变成了我们宇宙学模型的核心特征。
3. 互补探测：CMB与大尺度结构
3.1 宇宙微波背景（CMB）
在超新星突破后不久，气球载实验如BOOMERanG和MAXIMA，随后是卫星任务如WMAP和Planck，提供了极其精确的宇宙微波背景（CMB）测量。这些观测显示宇宙是近乎空间平坦的——即总能量密度参数 Ω ≈ 1。然而，物质含量（包括重子和暗物质）仅约为 Ωm ≈ 0.3。
含义：为了达到 Ωtotal = 1，必须有另一种成分——暗能量，贡献约 ΩΛ ≈ 0.7 [4, 5]。
3.2 重子声波振荡（BAO）
重子声波振荡（BAO）在星系分布中提供了另一种独立的宇宙膨胀探测方法。通过比较在不同红移下大尺度结构中“声波”印记的观测尺度，天文学家可以重建膨胀随时间的演变。来自SDSS（斯隆数字巡天）和eBOSS等调查的结果与超新星和CMB的发现一致：宇宙由驱动晚期加速的暗能量成分主导[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。在这种图景中，暗能量是弥漫整个空间的恒定能量密度。这导致状态方程参数 w = p/ρ = −1，其中 p 是压力，ρ 是能量密度。这样的成分自然引起加速膨胀。ΛCDM模型（Lambda冷暗物质）是包含暗物质（CDM）和暗能量（Λ）的主流宇宙学框架。
4.2 动态暗能量
尽管Λ取得了成功，但它带来了理论难题，特别是宇宙常数问题——量子场论预测的真空能量密度比观测值大许多数量级。这激发了替代理论的发展：
- Quintessence：缓慢滚动的标量场，具有演化的能量密度。
- 幻影能量：w < −1的场。
- k-本质：具有非典型动力学项的quintessence推广。
4.3 修正引力
一些物理学家提出，在不引入新能量成分的情况下，改变大尺度引力，如f(R)理论、DGP膜或其他对广义相对论的修正。虽然这些模型有时能模拟暗能量的效应，但它们也必须通过严格的局部引力测试，并匹配结构形成、透镜和其他观测数据。
5. 观测张力与当前争论
5.1 哈勃张力
随着哈勃常数（H0）测量变得更精确，出现了分歧。普朗克卫星数据（基于ΛCDM从CMB外推）表明H0 ≈ 67.4 ± 0.5 公里/秒/兆秒差距，而本地距离阶梯测量（例如SH0ES合作组）发现H0 ≈ 73。这个约5σ的张力可能暗示暗能量领域的新物理，或标准模型未捕捉到的其他细节[7]。
5.2 宇宙剪切与结构增长
弱引力透镜巡天绘制大尺度结构的增长，有时显示与基于CMB参数的ΛCDM预期存在轻微不一致。这些差异虽然不如哈勃张力明显，但激发了对暗能量或中微子物理可能修正，或数据分析中细微系统误差的讨论。
6. 未来展望与实验
6.1 即将到来的空间任务
欧几里得（ESA）：计划测量广阔天空区域的星系形状和红移，改进对暗能量状态方程和大尺度结构形成的约束。
南希·格雷斯·罗曼空间望远镜（NASA）：将进行宽视场成像和光谱学研究，以前所未有的精度研究BAO和弱引力透镜。
6.2 地基巡天
维拉·C·鲁宾天文台（空间与时间遗产巡天，LSST）：将绘制数十亿星系的地图，测量弱引力透镜信号和超新星速率，达到新的深度。
DESI (暗能量光谱仪)：将为数百万星系和类星体提供精确的红移测量。
6.3 理论突破
物理学家继续完善暗能量模型——尤其是允许w(z)演化的类quintessence理论。统一引力与量子力学的努力（弦理论、圈量子引力等）可能为真空能量提供更深刻的见解。任何明确偏离w = −1的发现都将是里程碑式的，指向真正新的基础物理学。
7. 结语
宇宙中超过70%的能量似乎以暗能量的形式存在，但我们仍缺乏对其本质的明确理解。从爱因斯坦的宇宙学常数到1998年令人震惊的超新星结果以及持续精确的宇宙结构测量，暗能量已成为21世纪宇宙学的基石——也是潜在革命性物理学的门户。
破解暗能量之谜的探索体现了前沿观测与理论创新的交汇。随着功能强大的新望远镜和实验投入使用——测量越来越远的超新星、以前所未有的细节绘制星系图谱、以及以极高精度监测CMB——科学家们正站在重大发现的门槛上。无论答案是简单的宇宙学常数、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及时空基本性质的理解。
参考文献与进一步阅读
Einstein, A. (1917). “关于广义相对论的宇宙学思考。” 普鲁士皇家科学院会议录, 142–152.
Riess, A. G., 等人 (1998). “来自超新星的观测证据支持加速膨胀的宇宙和宇宙学常数。” 天文学杂志, 116, 1009–1038.
Perlmutter, S., 等人 (1999). “来自42个高红移超新星的Ω和Λ测量。” 天体物理学杂志, 517, 565–586.
de Bernardis, P., 等人 (2000). “来自宇宙微波背景辐射高分辨率图的平坦宇宙。” 自然, 404, 955–959.
Spergel, D. N., 等人 (2003). “第一年威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP) 观测：宇宙学参数的确定。” 天体物理学杂志增刊系列, 148, 175–194.
Eisenstein, D. J., 等人 (2005). “在SDSS明亮红色星系的大尺度相关函数中检测到重子声学峰。” 天体物理学杂志, 633, 560–574.
Riess, A. G., et al. (2019). “大麦哲伦云造父变星标准为哈勃常数的1%基础及超越ΛCDM物理的更强证据。” 天体物理学杂志, 876, 85.
附加资源
Frieman, J. A., Turner, M. S., & Huterer, D. (2008). “暗能量与加速宇宙。” 天文学与天体物理年评, 46, 385–432.
Weinberg, S. (1989). “宇宙学常数问题。” 现代物理评论, 61, 1–23.
Carroll, S. M. (2001). “宇宙学常数。” 相对论生活评论, 4, 1.
从宇宙微波背景测量到Ia型超新星调查和星系红移目录，暗能量的证据日益压倒性。然而，基本问题——如其起源、是否真正恒定以及如何融入量子引力理论——仍未解答。解决这些谜题可能预示理论物理学的突破新时代和对宇宙更深的理解。