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第76章 车站的守望（第2页）

通过对遥远的Ia型超新星的观测发现，宇宙的膨胀速度并非如之前理论认为的那样因引力而减缓，而是在加速，这是暗能量存在的重要证据之一。对微波背景辐射的研究精确测量出宇宙中物质的总密度，发现普通物质与暗物质加起来只占宇宙总密度的约三分之一，剩余的约三分之二被归因于暗能量。

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基本特性

暗能量是一种充溢空间的、具有负压强的能量，在宇宙空间中几乎均匀分布，不吸收、反射或辐射光，所以无法直接观测。目前已知其占宇宙约68。3%的质量，是宇宙加速膨胀的推手。

理论模型

现有宇宙学常数和标量场两种模型。宇宙学常数是一种均匀充满空间的常能量密度，在物理上等价于真空能量；标量场是一个能量密度随时空变化的动力学场，如第五元素和模空间，但在空间上变化的标量场很难从宇宙常数中分离出来，因为变化太缓慢了。

探测与研究方法

由于暗能量难以直接观测，天文学家主要通过观测一些宇宙结构和物质受引力的影响以及能够探测到的辐射来间接研究。如利用宇宙3D绘图项目暗能量光谱仪（DESI），通过光谱学技术收集光线，测量红移现象，构建宇宙3D地图，研究重子声学振荡等，以更好地校准宇宙距离，增强对暗能量活动的测量。

潜在影响

暗能量对宇宙的演化和命运起着关键作用，如果其持续存在并发挥作用，宇宙可能会一直加速膨胀下去，最终导致星系之间的距离无限增大，宇宙变得寒冷、黑暗和空旷。

暗能量的研究历史如下：

早期理论基础

1917年，爱因斯坦为了建立一个静态的宇宙模型引入了宇宙学常数，这是最简单的暗能量模型，可视为等效于真空空间的质量或“真空能量”，但后来哈勃发现宇宙在膨胀，爱因斯坦认为引入宇宙学常数是他最大的失误。1980年，艾伦·古斯和阿列克谢·斯塔罗宾斯基提出，负压场在概念上类似于暗能量，可以在极早期的宇宙中驱动宇宙膨胀，这一理论为后续暗能量的研究提供了重要的思路和理论基础。

关键发现与确认

1998年，亚当·盖伊·里斯和索尔·珀尔马特等人对加速膨胀的超新星观测，发现宇宙的膨胀正在加速，这是暗能量存在的第一个直接观测证据，之后迈克尔·特纳创造了“暗能量”一词。2000年，BOOMERanG和MaximaCMB实验观测到第一个在宇宙微波背景中的声峰，表明总物质加能量密度接近临界密度的100%，为暗能量的存在提供了进一步的支持。2001年，2dF星系红移巡天给出了强有力的证据，表明物质密度约为临界值的30%，暗示了暗能量的存在。2003年至2010年，威尔金森微波各向异性探测器的更精确测量继续支持标准模型并提供了更准确的关键参数测量，确定了宇宙由约72。8%的暗能量、22。7%的暗物质和4。5%的普通物质组成。

后续深入研究

2011年，诺贝尔物理学奖授予索尔·珀尔马特、布莱恩·保罗·施密特和亚当·盖伊·里斯，以表彰他们因超新星的研究而对宇宙学的贡献。同年，WiggleZ暗能量巡天调查项目对超过个星系的观测提供了暗能量存在的进一步证据。2013年，根据普朗克航天器对宇宙微波背景的观测，更准确地估计了宇宙由68。3%的暗能量、26。8%的暗物质和4。9%的普通物质组成。2023年，欧洲航天局联合NASA发射了欧几里得太空望远镜，其使命是绘制宇宙中暗能量和暗物质组成的神秘区域，并解析这些力量对宇宙结构的影响。

暗能量的研究有助于解决其他宇宙学问题，主要体现在以下几个方面：

宇宙加速膨胀与哈勃张力

暗能量的研究起源于对宇宙加速膨胀现象的解释，其研究成果为解决“哈勃张力”问题提供了思路。“哈勃张力”是指在局部宇宙中测量的哈勃常数高于使用宇宙演化模型向前计算所预测的值。一些科学家认为，早期暗能量在大爆炸后短暂出现并影响早期宇宙的膨胀，可能是解决这一问题的关键。

宇宙结构与星系形成

暗能量在宇宙结构和星系形成过程中起着重要作用。其产生的膨胀效应逐渐削弱了星系间的引力互动，使得星系在宇宙的大尺度结构中变得更加孤立，星系间的并合和相互作用变得更加罕见，影响了未来星系的形成率和星系团的结构。同时，暗能量通过大尺度上的空间扩张改变宇宙环境，间接影响星系内部的物质循环和引力场，从而影响恒星诞生。

宇宙微波背景辐射

暗能量的存在通过宇宙微波背景辐射的观测得到了间接证实，对宇宙微波背景辐射的精确观测，也可以计算出暗能量在宇宙总能量中的比例。通过研究暗能量对宇宙微波背景辐射的影响，如IntegratedSachs-Wolfe效应，未来的数据可能根据这个效应来区分不同的暗能量模型，甚至排除一些模型。

基础物理理论与量子引力

暗能量的起源和本性与量子引力理论有着深刻联系，因此暗能量的理论研究将为自下而上地建立一个完整的量子引力理论提供重要线索。

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宇宙命运

暗能量的研究对于理解宇宙的未来命运至关重要。如果暗能量的加速膨胀趋势持续下去，宇宙可能会进入“热寂”状态，星系之间的距离将变得极远，恒星逐渐燃烧殆尽，宇宙将陷入一片黑暗和寒冷之中。但如果暗能量的性质或其作用发生变化，宇宙的未来演化也会随之改变。

暗能量的研究很有可能会给物理学基础理论带来突破，主要体现在以下几个方面：

对引力理论的影响

暗能量具有反引力的排斥效应，这与传统的引力理论相矛盾。如果暗能量的本质被揭示，可能会导致引力理论的重大修正或扩展，如修正广义相对论，使其在宇宙学尺度上更准确地描述引力现象，或者发现一种全新的引力理论，将暗能量和引力统一起来。

对量子场论的影响

量子场论中，真空能量密度被预测为极高的数值，但观测到的宇宙学常数对应的暗能量密度远低于理论值，这一差异被称为“真空能量危机”或“宇宙学常数问题”。暗能量的研究可能会促使量子场论的进一步发展和完善，解决真空能量问题，从而使量子场论更好地与宇宙学观测相符合。

对量子引力理论的影响

暗能量的研究可能会为量子引力理论提供关键线索。例如，在弦理论中，空间维度的额外扩展可能会影响真空能量的计算，从而对宇宙学常数产生调节效应；圈量子引力理论中，时空被离散化为最小的量子单元，这种离散化可能会影响真空能量的分布。暗能量的本质和特性可能会在量子引力理论的框架下得到更好的解释，推动量子引力理论的发展。

对宇宙学模型的影响

暗能量的存在是现代宇宙学的关键问题之一，它的研究可能会导致宇宙学模型的重大变革。例如，暗能量的性质和演化可能会改变我们对宇宙的起源、演化和命运的理解，促使科学家们提出新的宇宙学模型，如包含暗能量和暗物质相互作用的模型、早期暗能量模型等。

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