宇宙每秒都在變得更大。星系彼此飛離，星系團正在遠離其他星系團，萬物之間的空曠空間正在變得越來越寬廣。早在 20 世紀 20 年代，埃德溫·哈勃 (Edwin Hubble) 等人的觀測就揭示了宇宙正在膨脹，人們就已經知道這一點。但最近，天文學家發現這個過程正在加速——宇宙膨脹的速度正在上升，因此星系現在比不久前以更快的速度彼此遠離。這是一個驚人的發現，我們中的一位（Riess）以及他與澳大利亞國立大學的布萊恩·施密特 (Brian Schmidt) 共同領導的合作者團隊在 1998 年透過對遙遠超新星爆炸的測量得出的結論。
這一發現與加州大學伯克利分校的索爾·珀爾馬特 (Saul Perlmutter) 領導的另一個團隊使用類似方法在同年發表的成果相符。結論是不可避免的——某種東西正在導致宇宙膨脹加速。但那是什麼呢？
我們將“暗能量”這個名稱賦予任何正在引起明顯的斥力，將宇宙拉開的力量。在研究這種情況二十年後，暗能量的物理性質今天仍然幾乎與 20 年前一樣難以捉摸。
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我們仍然面臨著幾個緊迫的謎團：什麼是暗能量？為什麼它看起來比最直接的理論預測的要弱得多（但又足夠強以至於我們能檢測到它）？暗能量的本質對宇宙的未來意味著什麼？最後，暗能量的奇怪特徵是否暗示我們的宇宙是隨機獲得其屬性的——事實上，我們的宇宙只是一個包含無數宇宙版本的廣闊多元宇宙中的一個，每個宇宙都具有不同的特徵和不同的暗能量強度？
一場旨在確定暗能量本質的全面進攻正在進行中，並且幾個新的天文臺專案有望很快取得進展。在未來十年內，我們希望開始回答這些問題並理解宇宙加速的本質——或者讓我們自己接受一些謎團將無限期地無法解決。
什麼是暗能量？
科學家們對可能驅動宇宙加速的原因提出了許多假設。主要的候選者來自真空的本質。在量子物理學中，真空不是“虛無”——相反，它充滿了“虛粒子”和反粒子的對，它們在極短的時間內自發出現並相互湮滅。儘管這聽起來可能很奇怪，但這種轉瞬即逝的粒子對的海洋攜帶能量，而能量就像質量一樣，可以產生引力。然而，與質量不同，能量可以產生吸引力或排斥力，具體取決於其壓力是正還是負。根據理論，真空中的真空能量應該具有負壓，因此可能是驅動宇宙加速膨脹的排斥引力的來源。
這個想法等同於“宇宙常數”，阿爾伯特·愛因斯坦在他的廣義相對論方程中添加了一個術語，該術語代表整個空間中恆定的能量密度。顧名思義，這個假設認為暗能量的密度是恆定的——即在空間和時間上是不變的。到目前為止，我們擁有的天體物理學證據最符合宇宙常數的解釋，但存在一些差異。
或者，暗能量可能是一種被稱為“quintessence（第五元素）”的能量場，它瀰漫在宇宙中，賦予空間中的每個點一種抵消引力的特性。物理學家們對場很熟悉——日常的電磁力和引力都透過場起作用（儘管這些場通常來自區域性來源，而不是瀰漫在整個空間中）。
如果暗能量是一個場，它就不會是恆定的，因此可能會隨時間變化。在那種情況下，暗能量可能曾經比現在更強或更弱，並且可能在不同時間以不同的方式影響宇宙。同樣，它的強度和對宇宙演化的影響可能會在未來發生改變。在這個想法的所謂凍結場版本中，暗能量隨著時間的推移演化得越來越慢；在解凍變體中，場最初變化緩慢，後來變化更快。
第三種選擇可以解釋宇宙加速：沒有暗能量，宇宙加速膨脹是愛因斯坦的引力理論（廣義相對論）無法解釋的物理學結果，該理論是不完整的。在真正極端的領域，例如星系團的廣度或整個可觀測宇宙，引力定律可能與理論預測的不同，引力可能會“行為失常”。物理學家們沿著這些思路提出了一些有趣的理論建議，但目前還沒有一個自洽的理論能夠與所有觀測結果相符，因此就目前而言，暗能量似乎比這個選項更勝一籌。（以前的想法，例如宇宙加速是宇宙中物質分佈不均勻的表現，或者是空間結構中幾何缺陷網路的結果，到目前為止已被證明與觀測資料不一致。）
為什麼暗能量如此微弱？
對於暗能量的任何提出的解釋都不是非常令人滿意的。例如，宇宙常數預測暗能量應該比實際情況強得多。當人們天真地試圖將與空間真空中的虛粒子和反粒子海洋相關的假定量子態的所有能量加起來時，會得到一個比觀測到的總和大約大 120 個數量級的值。考慮到來自超對稱性等提出的理論的想法——即每個已知的粒子都有一個我們尚未發現的更重的夥伴粒子——在一定程度上減少了這種差異，但預測的總能量和測量的總能量之間的差異仍然高出幾十個數量級。因此，如果暗能量是由真空能量解釋的，那麼問題是，這種真空能量是如何變得如此微小的？
對於暗能量的場解釋在這方面也好不到哪裡去。理論家們只是假設（沒有充分的理由說明為什麼應該如此）與暗能量場相關的勢能的最小值非常低，從而保證只有少量的暗能量散佈在整個空間中。此外，這些模型要求該場與宇宙中其他一切事物（除了其排斥性的引力推力外）的相互作用非常小——這一特性很難解釋。這些事實使得很難將暗能量場假設自然地納入常見的粒子物理模型中。
圖片來源：Nigel Hawtin
這對宇宙的未來意味著什麼？
暗能量的屬性將決定我們宇宙的最終命運。例如，如果暗能量確實是真空能量（宇宙常數），那麼加速將永遠持續下去，大約一萬億年後，膨脹將導致所有比銀河系最近的鄰居（本星系群，到那時將合併形成一個巨大的橢圓星系）更遙遠的星系以超光速分離，使其無法被探測到。即使是來自宇宙大爆炸餘輝的古老光芒——充滿整個空間的宇宙微波背景輻射 (CMB)——也將被拉伸到比可見宇宙尺寸更長的波長，從而變得無法察覺。在這種情況下，我們恰好生活在一個非常幸運的時代，我們仍然擁有宇宙的最佳視野。
另一方面，如果暗能量不是真空能量，而是某種未知場的能量，那麼未來就充滿了變數。根據場的演化方式，宇宙最終可能會停止膨脹並開始坍縮，向自身坍縮成一個最終的“大擠壓”，這與宇宙大爆炸的起源相呼應。或者宇宙可能會以“大撕裂”告終，屆時從星系團到原子和原子核的所有複雜結構都可能被暗能量淹沒並撕裂。而第一種情景，即持續加速走向寒冷死亡，也是暗能量場的一個選項。
如果事實證明有必要，那麼另一種引力理論同樣允許各種結果，具體取決於修訂後理論的特殊性。
我們可能生活在多元宇宙中嗎？
隨著宇宙常數解釋在理論領域佔據主導地位，其難以解釋的微弱性問題成為首要問題。德克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家史蒂文·溫伯格 (Steven Weinberg) 在加速膨脹被發現之前就意識到了宇宙常數的這個問題，他提出了一個新的範例——宇宙常數不是由基本物理定律唯一確定的，而是一個隨機變數，在龐大的宇宙集合（多元宇宙）的不同成員中呈現不同的值。有些宇宙可能具有更大的宇宙常數，但在那些宇宙中，加速排斥力是如此之大，以至於物質無法聚結形成星系、行星和生命。溫伯格認為，因為我們存在，所以我們顯然必須發現自己處於那些能夠允許我們存在的宇宙之一中——一個碰巧具有較小宇宙常數的宇宙。這個想法由塔夫茨大學的亞歷山大·維連金 (Alexander Vilenkin)、劍橋大學的馬丁·里斯 (Martin Rees)、我們中的一位（利維奧）和其他人進一步發展，被稱為人擇原理。
圖片來源：Jen Christiansen
除了暗能量的考慮之外，還有充分的理由表明多元宇宙可能會出現。廣為接受的宇宙暴脹理論表明，宇宙在其最初的瞬間極度膨脹。維連金和斯坦福大學的安德烈·林德 (Andrei Linde) 已經證明，一旦宇宙暴脹開始，就基本上不可能阻止它再次發生，從而創造出無限的泡泡集合或“口袋宇宙”，它們彼此隔離形成，並且可能具有非常不同的屬性。
多元宇宙似乎也是弦理論的必然結果，弦理論是統一所有自然力的理論的候選者。根據拉斐爾·布索 (Raphael Bousso) 和已故的約瑟夫·波爾欽斯基 (Joseph Polchinski) 基於弦理論（稱為 M 理論）的版本進行的計算表明，可能有多達 10500 個不同的時空或宇宙，每個時空或宇宙都以不同的自然常數值甚至空間維度數量為特徵。
然而，即使僅僅提到多元宇宙的想法，也會讓一些物理學家的血壓升高。這個概念似乎難以接受，也更難檢驗——也許預示著我們所知的經典科學方法的終結。從歷史上看，這種方法要求假設應該可以透過新的實驗或觀察直接檢驗。然而，多元宇宙的概念確實做出了一些可能經得起檢驗的預測。特別是，一些多元宇宙模型預測時空的形狀具有輕微的彎曲，這可能是可以透過觀測檢測到的。另一種可能性（儘管不是很有可能）是宇宙微波背景光可能包含漣漪，這些漣漪是另一個泡泡與我們自己的泡泡碰撞的特徵。
尋找答案
我們所知的揭示暗能量本質的最佳方法是測量其壓力（它與空間的張力有多大）與其密度（在給定空間量中它有多少）的比率——一種稱為其狀態方程引數的屬性，w。如果暗能量是真空能量（宇宙常數），那麼 w 將是恆定的並且等於 -1。另一方面，如果暗能量與隨時間變化的場相關聯，我們希望檢測到其 w 值與 -1 不同，並且在整個宇宙歷史中都在演化。或者，如果觀測到的加速需要修改愛因斯坦的極端距離引力理論，我們希望觀察到我們在宇宙不同尺度下發現的 w 值之間存在不一致。
天文學家設計了一些巧妙的間接方法來測量暗能量的壓力和密度。作為一種排斥性的引力拉力，暗能量或修正引力會抵消常規引力的拉力（常規引力將宇宙中的質量拉向其他質量），從而阻礙大規模結構的形成——即星系團。因此，透過研究星系團如何隨時間增長，科學家可以找出暗能量在歷史上的各個時期的強度。我們透過觀察星系團的質量如何透過稱為引力透鏡的過程彎曲其後方背景星系的光線來實現這一點。彎曲的程度告訴我們星系團有多大質量，透過觀察不同距離的星系團的這種效應，我們可以測量在各個宇宙時代大規模星系團的常見程度。（由於光到達我們這裡需要時間，所以向遠處看類似於回顧過去。）
我們還可以透過研究宇宙膨脹速率如何隨時間變化來測量暗能量。透過觀察不同距離的物體並測量它們的紅移——它們的光波長被空間膨脹拉伸了多少——我們可以瞭解自光線開始其旅程以來宇宙膨脹了多少。事實上，這種方法是兩個團隊最初發現宇宙加速的方式；他們測量了不同 1a 型超新星的紅移（其距離與其亮度可靠地相關）。這種技術的一種變體是觀察星系密度在太空中被稱為重子聲波振盪 (BAO) 的漣漪的視大小——另一種可靠的距離指標——作為追蹤宇宙膨脹歷史的一種方式。
迄今為止，大多數 w 的測量值通常與 -1 的值在 10% 以內一致（在觀測不確定性範圍內），因此支援宇宙常數對加速膨脹的解釋。當 Riess 領導的一個團隊使用哈勃太空望遠鏡使用超新星技術探測到大約 100 億年前的暗能量時，它沒有發現那段時間內發生變化的證據。同樣，對來自多個巡天專案中 1000 多顆超新星樣本的結果的分析也給出了與宇宙常數一致的結果。
然而，值得注意的是，在過去幾年中，出現了一些可能偏離宇宙常數預測的跡象。例如，來自普朗克衛星的 CMB（它告訴我們宇宙中的總質量和能量）的測量結果與引力透鏡研究的結果相結合，表明 w 的值比 -1 更負。最近對來自遙遠明亮星系（稱為類星體）的資料中重子聲波振盪的觀測似乎暗示暗能量密度隨時間增加。最後，今天對空間膨脹速率的區域性測量與來自 CMB 的原始膨脹速率的測量值之間存在微小（但具有統計學意義）的差異，這也可能指向偏離宇宙常數。儘管這些結果很吸引人，但沒有一個結果能夠有力地證明偏離了宇宙常數。不久的將來更多的資料可能會加強這些差異並表明一些新的物理現象，或者揭示它們是系統性的僥倖。
目前正在進行的工作是在未來十年內將暗能量測量屬性的精度提高 100 倍。始於 2013 年的暗能量巡天 (DES) 和計劃於 2021 年左右開放的大型綜合巡天望遠鏡 (LSST) 等新專案將收集有關宇宙大規模結構和膨脹歷史的更好資訊。美國宇航局的廣域紅外巡天望遠鏡——天體物理重點望遠鏡資產 (WFIRST-AFTA) 是一架計劃於 2020 年代中期發射的 2.4 米太空望遠鏡，預計將觀測遙遠的超新星和 BAO，以及引力透鏡。歐洲航天局的歐幾里得太空任務計劃於 2021 年發射，它還將利用透鏡、BAO 和星系距離的紅移測量來確定星系團的三維分佈。
最後，我們還可以透過太陽系內的測量來檢驗修正引力理論。一種方法以驚人的高精度測量到月球的距離（透過反射阿波羅號宇航員放置在月球上的反射器上的雷射） ，它可以檢測到與廣義相對論預測的微小偏差。此外，巧妙的實驗室實驗將尋找當前引力定律中的微小差異。
未來幾年應該是暗能量研究的關鍵時期。我們希望能夠在解決有關宇宙加速膨脹的懸而未決的問題方面取得真正的進展。答案將揭示宇宙的未來。