暗能量的发现及其两种可能性

　　自从 1929 年埃德温·哈勃发现宇宙正在膨胀以来，科学家们一直试图找出这种膨胀率是多少。大多数科学家认为，虽然已知宇宙正在膨胀，但由于引力将物质聚集在一起的吸引力效应，这种膨胀速度必须随着时间的推移而减慢。因此，科学家们着手测量这种扩张速度的放缓。
　　这并不容易，因为为了进行此类测量，我们必须能够查看数十亿光年外星系的亮度和红移。在20世纪的大部分时间里，没有好的方法可以准确地测量这一点。此外，需要某种测量技术来建立可以与这些星系进行比较的标准光度，因为并非所有星系在相同距离处都同样明亮。
　　这种标准光度称为标准烛光。在1980年代末和90年代初，美国的Saul Perlmutter和Adam Riess以及澳大利亚的Brian Schmidt领导的两组天文学家想出了一个聪明的方法来测量非常遥远星系的真实距离和红移：查找最近的一种非常特殊的超新星爆炸，称为1A型超新星。这提供了标准烛光，因为所有1A型超新星爆炸时的光度大致相同。
　　因此，通过测量这些超新星的亮度，科学家们可以确定距离。同样测量了光的红移，他们可以确定从光离开超新星的那一刻起，空间扩大了多少。当这两个数据结合起来时，他们可以知道在不同的时间范围内空间膨胀了多少，从而知道星系离开地球的速度有多快。他们的发现令大多数科学家感到震惊，因为宇宙的膨胀不仅没有减速或保持不变，而且还在加速。
　　这种推动宇宙加速膨胀的能量被称为＂暗能量＂。那么可能是什么原因造成的呢？有两种可能性。第一种可能性是这种能量是空间本身的属性， 这被埋在爱因斯坦广义相对论方程的一个版本中，其中包含一个叫做宇宙常数的东西，它由希腊字母Λ表示。具有讽刺意味的是，爱因斯坦引入了Λ来抵消引力的影响，以保持宇宙静止。在哈勃发现宇宙膨胀后，他放弃了它，称这是他最大的错误。
　　Λ可以被认为是空间真空的能量密度，它来自量子涨落的非完美抵消。根据海森堡的测不准原理，所有粒子都来自的量子场的振动，这些场不断在空旷的空间中创建虚拟粒子。这可以从这个版本的海森堡方程中看出：能量的不确定性乘以时间的不确定性大于或等于普朗克常数除以π的两倍。
　　这个方程还告诉你，如果能量的变化或时间的变化非常小，以至于它小于普朗克常数除以π的两倍，那么你可以从无到有地形成虚粒子。这些虚拟粒子不是我们能看到的，那么是否有任何实验证据可以证明这种能量存在的事实？事实证明是有的，这就是所谓的卡西米尔效应。本质上它是一种物理效应，我们可以感受到由于真空空间中量子场的波动而产生的正能量。
　　但是这个理论最大的问题是，当你用已知的量子力学方程来计算这个能量应该是多少时，理论能量比1A型超新星数据和宇宙微波背景实际测得的能量高出近120个数量级。这是所有物理学中理论与观察之间最大的不匹配，有史以来最糟糕的预测！换句话说，我们的方程表明这种能量应该比它实际的大得多，但很明显，我们的方程是错误的，因为如果能量和理论一样多，宇宙会膨胀得如此之快，以至于星系、太阳系和我们都不存在。
　　第二种可能性是，也许我们对暗能量的认识是错误的，也许它根本不存在。有一小部分科学家相信这一点，其中最引人注目的是英国牛津大学的理论物理学家Subir Sarkar。他的团队在2014年向公众提供原始数据后检查了 1A 型超新星数据。
　　他首先辩称，原始超新星数据并不令人信服，因为它们的相关性仅为 3西格玛，而不是宇宙学的典型标准5西格玛。此外，他认为最初的计算没有考虑到宇宙中物质的不均匀分布。如果银河系本身被拉向一个方向，那么这将导致测量错误。换句话说，也许是我们在减速，而不是宇宙的其他部分在加速。考虑到这些潜在的错误，他说原始数据相关性可能甚至低于3西格玛。因此，他认为暗能量可能不存在。