宇宙每秒都在变得更大。星系彼此飞离，星系团正在远离其他星系团，万物之间的空旷空间正在变得越来越宽广。早在 20 世纪 20 年代，埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) 等人的观测就揭示了宇宙正在膨胀，人们就已经知道这一点。但最近，天文学家发现这个过程正在加速——宇宙膨胀的速度正在上升，因此星系现在比不久前以更快的速度彼此远离。这是一个惊人的发现，我们中的一位（Riess）以及他与澳大利亚国立大学的布莱恩·施密特 (Brian Schmidt) 共同领导的合作者团队在 1998 年通过对遥远超新星爆炸的测量得出的结论。
这一发现与加州大学伯克利分校的索尔·珀尔马特 (Saul Perlmutter) 领导的另一个团队使用类似方法在同年发表的成果相符。结论是不可避免的——某种东西正在导致宇宙膨胀加速。但那是什么呢？
我们将“暗能量”这个名称赋予任何正在引起明显的斥力，将宇宙拉开的力量。在研究这种情况二十年后，暗能量的物理性质今天仍然几乎与 20 年前一样难以捉摸。
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我们仍然面临着几个紧迫的谜团：什么是暗能量？为什么它看起来比最直接的理论预测的要弱得多（但又足够强以至于我们能检测到它）？暗能量的本质对宇宙的未来意味着什么？最后，暗能量的奇怪特征是否暗示我们的宇宙是随机获得其属性的——事实上，我们的宇宙只是一个包含无数宇宙版本的广阔多元宇宙中的一个，每个宇宙都具有不同的特征和不同的暗能量强度？
一场旨在确定暗能量本质的全面进攻正在进行中，并且几个新的天文台项目有望很快取得进展。在未来十年内，我们希望开始回答这些问题并理解宇宙加速的本质——或者让我们自己接受一些谜团将无限期地无法解决。
什么是暗能量？
科学家们对可能驱动宇宙加速的原因提出了许多假设。主要的候选者来自真空的本质。在量子物理学中，真空不是“虚无”——相反，它充满了“虚粒子”和反粒子的对，它们在极短的时间内自发出现并相互湮灭。尽管这听起来可能很奇怪，但这种转瞬即逝的粒子对的海洋携带能量，而能量就像质量一样，可以产生引力。然而，与质量不同，能量可以产生吸引力或排斥力，具体取决于其压力是正还是负。根据理论，真空中的真空能量应该具有负压，因此可能是驱动宇宙加速膨胀的排斥引力的来源。
这个想法等同于“宇宙常数”，阿尔伯特·爱因斯坦在他的广义相对论方程中添加了一个术语，该术语代表整个空间中恒定的能量密度。顾名思义，这个假设认为暗能量的密度是恒定的——即在空间和时间上是不变的。到目前为止，我们拥有的天体物理学证据最符合宇宙常数的解释，但存在一些差异。
或者，暗能量可能是一种被称为“quintessence（第五元素）”的能量场，它弥漫在宇宙中，赋予空间中的每个点一种抵消引力的特性。物理学家们对场很熟悉——日常的电磁力和引力都通过场起作用（尽管这些场通常来自局部来源，而不是弥漫在整个空间中）。
如果暗能量是一个场，它就不会是恒定的，因此可能会随时间变化。在那种情况下，暗能量可能曾经比现在更强或更弱，并且可能在不同时间以不同的方式影响宇宙。同样，它的强度和对宇宙演化的影响可能会在未来发生改变。在这个想法的所谓冻结场版本中，暗能量随着时间的推移演化得越来越慢；在解冻变体中，场最初变化缓慢，后来变化更快。
第三种选择可以解释宇宙加速：没有暗能量，宇宙加速膨胀是爱因斯坦的引力理论（广义相对论）无法解释的物理学结果，该理论是不完整的。在真正极端的领域，例如星系团的广度或整个可观测宇宙，引力定律可能与理论预测的不同，引力可能会“行为失常”。物理学家们沿着这些思路提出了一些有趣的理论建议，但目前还没有一个自洽的理论能够与所有观测结果相符，因此就目前而言，暗能量似乎比这个选项更胜一筹。（以前的想法，例如宇宙加速是宇宙中物质分布不均匀的表现，或者是空间结构中几何缺陷网络的结果，到目前为止已被证明与观测数据不一致。）
为什么暗能量如此微弱？
对于暗能量的任何提出的解释都不是非常令人满意的。例如，宇宙常数预测暗能量应该比实际情况强得多。当人们天真地试图将与空间真空中的虚粒子和反粒子海洋相关的假定量子态的所有能量加起来时，会得到一个比观测到的总和大约大 120 个数量级的值。考虑到来自超对称性等提出的理论的想法——即每个已知的粒子都有一个我们尚未发现的更重的伙伴粒子——在一定程度上减少了这种差异，但预测的总能量和测量的总能量之间的差异仍然高出几十个数量级。因此，如果暗能量是由真空能量解释的，那么问题是，这种真空能量是如何变得如此微小的？
对于暗能量的场解释在这方面也好不到哪里去。理论家们只是假设（没有充分的理由说明为什么应该如此）与暗能量场相关的势能的最小值非常低，从而保证只有少量的暗能量散布在整个空间中。此外，这些模型要求该场与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——这一特性很难解释。这些事实使得很难将暗能量场假设自然地纳入常见的粒子物理模型中。
图片来源：Nigel Hawtin
这对宇宙的未来意味着什么？
暗能量的属性将决定我们宇宙的最终命运。例如，如果暗能量确实是真空能量（宇宙常数），那么加速将永远持续下去，大约一万亿年后，膨胀将导致所有比银河系最近的邻居（本星系群，到那时将合并形成一个巨大的椭圆星系）更遥远的星系以超光速分离，使其无法被探测到。即使是来自宇宙大爆炸余辉的古老光芒——充满整个空间的宇宙微波背景辐射 (CMB)——也将被拉伸到比可见宇宙尺寸更长的波长，从而变得无法察觉。在这种情况下，我们恰好生活在一个非常幸运的时代，我们仍然拥有宇宙的最佳视野。
另一方面，如果暗能量不是真空能量，而是某种未知场的能量，那么未来就充满了变数。根据场的演化方式，宇宙最终可能会停止膨胀并开始坍缩，向自身坍缩成一个最终的“大挤压”，这与宇宙大爆炸的起源相呼应。或者宇宙可能会以“大撕裂”告终，届时从星系团到原子和原子核的所有复杂结构都可能被暗能量淹没并撕裂。而第一种情景，即持续加速走向寒冷死亡，也是暗能量场的一个选项。
如果事实证明有必要，那么另一种引力理论同样允许各种结果，具体取决于修订后理论的特殊性。
我们可能生活在多元宇宙中吗？
随着宇宙常数解释在理论领域占据主导地位，其难以解释的微弱性问题成为首要问题。德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家史蒂文·温伯格 (Steven Weinberg) 在加速膨胀被发现之前就意识到了宇宙常数的这个问题，他提出了一个新的范例——宇宙常数不是由基本物理定律唯一确定的，而是一个随机变量，在庞大的宇宙集合（多元宇宙）的不同成员中呈现不同的值。有些宇宙可能具有更大的宇宙常数，但在那些宇宙中，加速排斥力是如此之大，以至于物质无法聚结形成星系、行星和生命。温伯格认为，因为我们存在，所以我们显然必须发现自己处于那些能够允许我们存在的宇宙之一中——一个碰巧具有较小宇宙常数的宇宙。这个想法由塔夫茨大学的亚历山大·维连金 (Alexander Vilenkin)、剑桥大学的马丁·里斯 (Martin Rees)、我们中的一位（利维奥）和其他人进一步发展，被称为人择原理。
图片来源：Jen Christiansen
除了暗能量的考虑之外，还有充分的理由表明多元宇宙可能会出现。广为接受的宇宙暴胀理论表明，宇宙在其最初的瞬间极度膨胀。维连金和斯坦福大学的安德烈·林德 (Andrei Linde) 已经证明，一旦宇宙暴胀开始，就基本上不可能阻止它再次发生，从而创造出无限的泡泡集合或“口袋宇宙”，它们彼此隔离形成，并且可能具有非常不同的属性。
多元宇宙似乎也是弦理论的必然结果，弦理论是统一所有自然力的理论的候选者。根据拉斐尔·布索 (Raphael Bousso) 和已故的约瑟夫·波尔钦斯基 (Joseph Polchinski) 基于弦理论（称为 M 理论）的版本进行的计算表明，可能有多达 10500 个不同的时空或宇宙，每个时空或宇宙都以不同的自然常数值甚至空间维度数量为特征。
然而，即使仅仅提到多元宇宙的想法，也会让一些物理学家的血压升高。这个概念似乎难以接受，也更难检验——也许预示着我们所知的经典科学方法的终结。从历史上看，这种方法要求假设应该可以通过新的实验或观察直接检验。然而，多元宇宙的概念确实做出了一些可能经得起检验的预测。特别是，一些多元宇宙模型预测时空的形状具有轻微的弯曲，这可能是可以通过观测检测到的。另一种可能性（尽管不是很有可能）是宇宙微波背景光可能包含涟漪，这些涟漪是另一个泡泡与我们自己的泡泡碰撞的特征。
寻找答案
我们所知的揭示暗能量本质的最佳方法是测量其压力（它与空间的张力有多大）与其密度（在给定空间量中它有多少）的比率——一种称为其状态方程参数的属性，w。如果暗能量是真空能量（宇宙常数），那么 w 将是恒定的并且等于 -1。另一方面，如果暗能量与随时间变化的场相关联，我们希望检测到其 w 值与 -1 不同，并且在整个宇宙历史中都在演化。或者，如果观测到的加速需要修改爱因斯坦的极端距离引力理论，我们希望观察到我们在宇宙不同尺度下发现的 w 值之间存在不一致。
天文学家设计了一些巧妙的间接方法来测量暗能量的压力和密度。作为一种排斥性的引力拉力，暗能量或修正引力会抵消常规引力的拉力（常规引力将宇宙中的质量拉向其他质量），从而阻碍大规模结构的形成——即星系团。因此，通过研究星系团如何随时间增长，科学家可以找出暗能量在历史上的各个时期的强度。我们通过观察星系团的质量如何通过称为引力透镜的过程弯曲其后方背景星系的光线来实现这一点。弯曲的程度告诉我们星系团有多大质量，通过观察不同距离的星系团的这种效应，我们可以测量在各个宇宙时代大规模星系团的常见程度。（由于光到达我们这里需要时间，所以向远处看类似于回顾过去。）
我们还可以通过研究宇宙膨胀速率如何随时间变化来测量暗能量。通过观察不同距离的物体并测量它们的红移——它们的光波长被空间膨胀拉伸了多少——我们可以了解自光线开始其旅程以来宇宙膨胀了多少。事实上，这种方法是两个团队最初发现宇宙加速的方式；他们测量了不同 1a 型超新星的红移（其距离与其亮度可靠地相关）。这种技术的一种变体是观察星系密度在太空中被称为重子声波振荡 (BAO) 的涟漪的视大小——另一种可靠的距离指标——作为追踪宇宙膨胀历史的一种方式。
迄今为止，大多数 w 的测量值通常与 -1 的值在 10% 以内一致（在观测不确定性范围内），因此支持宇宙常数对加速膨胀的解释。当 Riess 领导的一个团队使用哈勃太空望远镜使用超新星技术探测到大约 100 亿年前的暗能量时，它没有发现那段时间内发生变化的证据。同样，对来自多个巡天项目中 1000 多颗超新星样本的结果的分析也给出了与宇宙常数一致的结果。
然而，值得注意的是，在过去几年中，出现了一些可能偏离宇宙常数预测的迹象。例如，来自普朗克卫星的 CMB（它告诉我们宇宙中的总质量和能量）的测量结果与引力透镜研究的结果相结合，表明 w 的值比 -1 更负。最近对来自遥远明亮星系（称为类星体）的数据中重子声波振荡的观测似乎暗示暗能量密度随时间增加。最后，今天对空间膨胀速率的局部测量与来自 CMB 的原始膨胀速率的测量值之间存在微小（但具有统计学意义）的差异，这也可能指向偏离宇宙常数。尽管这些结果很吸引人，但没有一个结果能够有力地证明偏离了宇宙常数。不久的将来更多的资料可能会加强这些差异并表明一些新的物理现象，或者揭示它们是系统性的侥幸。
目前正在进行的工作是在未来十年内将暗能量测量属性的精度提高 100 倍。始于 2013 年的暗能量巡天 (DES) 和计划于 2021 年左右开放的大型综合巡天望远镜 (LSST) 等新项目将收集有关宇宙大规模结构和膨胀历史的更好信息。美国宇航局的广域红外巡天望远镜——天体物理重点望远镜资产 (WFIRST-AFTA) 是一架计划于 2020 年代中期发射的 2.4 米太空望远镜，预计将观测遥远的超新星和 BAO，以及引力透镜。欧洲航天局的欧几里得太空任务计划于 2021 年发射，它还将利用透镜、BAO 和星系距离的红移测量来确定星系团的三维分布。
最后，我们还可以通过太阳系内的测量来检验修正引力理论。一种方法以惊人的高精度测量到月球的距离（通过反射阿波罗号宇航员放置在月球上的反射器上的激光） ，它可以检测到与广义相对论预测的微小偏差。此外，巧妙的实验室实验将寻找当前引力定律中的微小差异。
未来几年应该是暗能量研究的关键时期。我们希望能够在解决有关宇宙加速膨胀的悬而未决的问题方面取得真正的进展。答案将揭示宇宙的未来。