【博科园-科学科普】自从宇宙膨胀在近20年前被发现以来，科学家们一直渴望一个引人注目、简单、可测试的解释。然而随着越来越多的实验和观测数据的出现，这种暗能量的产生——假设的加速度原因变得令人难以捉摸。
XDF的全uv -可见光- ir复合图像，这是有史以来最伟大的影像。图片版权：NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (ArizonaState University), and Z. Levay (STScI)
虽然它在功能上等同于“宇宙常数”(或“空间本身固有的能量”)，但没有什么好办法来预测它的性质。然而如果你认为把某些形式的物质放在真空中改变了物质的力量，也许暗能量来自于最简单的原因：我们的宇宙包含了物质。
今天我们宇宙中星系的团簇/聚类模式的地图。这些结构的存在可以解释暗能量的存在和大小。图片版权：Greg Bacon/STScI/NASA Goddard Space Flight Center
宇宙中大部分的力和现象都有可能被轻易地发现。由于时空是由物质和能量的存在而弯曲的，所以两个巨大的物体经历了引力。由于宇宙能量密度的变化和初始膨胀的条件。宇宙中所有的粒子都经历了它们的相互作用，因为已知的量子场论规则和向量玻色子的交换。从最小的亚原子粒子到最大的尺度，同样的力量在发挥作用，从质子到人类到行星到星系。
由于“颜色电荷”的存在和胶子的交换，这种强大的力作用于将原子核聚集在一起的力。图片版权：Wikimedia Commons user Qashqaiilove
甚至一些更为神秘的现象也有其基本的解释。我们不知道在宇宙中有什么比反物质更重要的东西，但我们知道需要的条件——重子数的违背，脱离平衡条件和C和cp都存在。我们不知道暗物质的本质是什么，但是它的一般性质，它的位置和它如何聚集在一起是很容易理解的。我们不知道黑洞是否保存信息，但我们了解这些物体的最终和初始状态，以及它们是如何形成的以及随着时间的推移，它们的视界会发生什么变化。
黑洞和周围的加速和不断增加的吸积盘。即使信息的损失或保留，黑洞的初始和最终状态也是可以预测的。图片版权：NASA
但有一件事我们一点都不明白：暗能量。当然我们可以测量宇宙的加速度，确定它的大小。但是为什么我们有一个非零值暗能量的宇宙呢？为什么要空空如也，没有任何东西——没有物质，没有曲率，没有辐射，没有任何东西——有一个积极的非零的能量？为什么它会导致宇宙本身以一种积极的、永不消失的零速度扩张呢？为什么它的能量如此之小，以至于在宇宙历史的最初几十亿年里，它是完全不引人注意的，而且只有在地球形成的时候才开始主宰宇宙?
一种原行星盘的插图，在那里行星和行星的形成首先形成，在圆盘上形成“间隙”。大约在40到50亿年前，当我们的太阳系形成时，暗能量同时开始主宰宇宙的膨胀速度和能量。图片版权：NAOJ
我们可以注意到很多关于暗能量和宇宙的东西，它们很有趣也暗示着联系。有很多空的空间，我们知道在它的整个过程中都有量子场。宇宙中没有任何区域的引力、电磁或核力无法到达;他们随处可见。如果我们试着计算我们所说的不同量子场的真空期望值(VEV)，我们首先只能做近似的，因为有无数项我们可以把它写下来，从而达到任意高阶。如果我们在任何时候截断这个系列，我们就可以把大概的贡献加起来，然后我们就会非常失望。
量子电动力学中的零点能量的几个术语，图片：R. L.Jaffe, from
如果我们这样做就会得到大约120个数量级的贡献，无论正面还是负面。就我们所知它们并没有完全取消，即使它们真的被取消了，我们仍然有一个烦人的观测问题，那就是宇宙没有记忆，减速或者渐近到零速度;这是真的,真正的加速。在某种程度上空间本身存在一种微小但非零的能量。这种能量正导致宇宙中遥远的星系从我们的衰退中加速，虽然慢慢地，随着时间的推移。
我们宇宙未来的四个可能的命运，最后一个似乎是我们生活的宇宙，由暗能量主导。图片：E. Siegel / Beyond The Galaxy
也许最大的理论问题是为什么？为什么宇宙会加速？我们对暗能量的成因没有很好的解释。我们最近研究了它的冰冻中微子的可能性，或者它可能是我们在膨胀的宇宙中出现问题的一种征兆。但还有另一种可能性，那就是我们很少注意到，它应该得到更多的关注：它可能是一个空的空间本身的属性，它是由其他事物的存在引起的，比如在宇宙中充当有效边界的物质。
这是可能的原因是因为这是一个我们知道存在的效应：卡西米尔效应。
一个关于卡西米尔效应的例子，以及在板块外侧的力是与内部的力不同的。图片：Emok / Wikimedia Commons
真空的电磁力是什么？当然这没什么。没有电荷，没有电流，没有物质影响，它真的是零，这不是一个技巧。但是如果你把两个金属板分开分开，然后问电磁力是什么，你会发现它不是零！由于一些真空的波动模式由于板块的边界被禁止，我们不仅预测而且测量了这些板块之间的非零力，这是由于除了空的空间本身。事实证明所有的力，包括引力，都有卡西米尔效应。
在宇宙中每一个点都是它自己的星系。不同的颜色代表距离，红色代表更远。图片版权：Daniel Eisenstein and the SDSS-IIIcollaboration
那么如果我们把这个效应应用到整个宇宙，并试图计算结果应该是什么呢？答案很简单：我们得到了一种与暗能量一致的形式，尽管再一次幅度是完全错误的。这很有可能是一个事实，我们不知道宇宙的边界条件是什么样子，也不知道如何计算这个量子引力效应。但这是一个令人难以置信的、经过充分研究的可能性，在过去的十年里有很多有趣的发展。
三维重建的12万星系及其聚类性质，从其红移和大规模结构形成推断。图片版权：Jeremy Tinker and the SDSS-IIIcollaboration
映射宇宙可能是最容易的部分。也许这并不是一个观测或实验的突破，它将引导我们理解暗能量，宇宙中最难以捉摸的力量。也许这是一个需要的理论。也许它与痕量异常有关，也许它是随时间变化的动态量，也许它甚至是一个额外维度的符号。宇宙就在那里，我们最近才发现了这个最难解释的秘密。也许解决方法或如果我们小心，可能会在我们已经知道的物理中。
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：中子星
审校：博科园
