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來源: 科學人 作者: 

重點提要
■大約20年前，科學家發現宇宙正在加速膨脹，並把加速膨脹的原因稱為「暗能量」。
■之後的密集研究並未解開暗能量之謎，反而凸顯這些問題：為何暗能量的強度與理論預測天差地遠？這對宇宙的未來有何影響？我們透過暗能量的研究，是否會得到多重宇宙的結論？
■科學家透過一些正在與即將進行的實驗，希望能在未來幾年解答這些問題。

宇宙每一秒都在變大：星系彼此飛離，星系團與星系團也越分越開，宇宙里的一切事物皆漸行漸遠。自1920年代起，哈伯（Edwin Hubble）與其他人的觀測便已告訴我們，宇宙正在膨脹、擴張。但不久前，天文學家發現這個過程甚至還在加速進行，宇宙的膨脹幅度持續升高，使星系的退行速率隨著時間遞增。

本文作者之一黎斯與澳洲國立大學的施密特（Brian Schmidt）共同領導的研究團隊測量遙遠超新星爆發事件，在1998年得到這項驚人發現；美國加州大學柏克萊分校的珀爾穆特（Saul Perlmutter）領導的另一組團隊，以類似的方法也在同一年獲得相同的結果。這項鐵證如山的結論顯示，某種未知原因引起宇宙加速膨脹。但究竟是什麽？

科學家把此未知原因稱為「暗能量」，它似乎會產生把宇宙加速撕裂的斥力。我們研究此現象將近20年，至今暗能量的本質仍是個謎，我們對它的認識就和當初一樣粗淺。事實上，最近的觀測結果似乎與理論解釋有些抵觸，使真相更加撲朔迷離。

我們面對的是幾個深刻難解的問題：暗能量是什麽？為何它的強度似乎總比最簡單的理論預測微弱許多（卻仍足以讓我們偵測到）？暗能量的本質究竟對宇宙的未來有何影響？最後，若依照多重宇宙（multiverse）的構想，我們的宇宙只是無限多個不同型式的宇宙之一，每個宇宙具有不同性質與暗能量強度；因此暗能量的詭異特性，其實暗示了我們的宇宙是隨機發生的？

全力探究暗能量本質的行動正如火如荼進行，其中有幾項觀測計畫的前景看好，預期很快就能取得進展。我們希望在10年內開始回答這些問題，並確切了解宇宙加速膨脹的本質，至少不再聽天由命，徒留永無止境的神秘感。

什麽是暗能量？

科學家有幾項假說，或許可用來解釋宇宙加速膨脹的原因。目前最佳的假說源自空無一物的空間本質。在量子物理中，真空並非「空無一物」，真空里可以不斷出現一對對「虛」粒子與其反粒子，瞬間自發出現又湮滅。雖然這件事聽起來很奇特，不過大量短暫存在的粒子對含有能量，而能量就像質量一樣，能夠產生重力。唯一不同的是，能量可以產生具有吸引或排斥性質的重力，這完全取決於壓力的正或負。根據理論，空無一物的空間能量具有負壓，因此可能是驅動宇宙加速膨脹的排斥性重力來源。

這概念等同於愛因斯坦在廣義相對論的場方程式中加入的「宇宙常數」，代表充斥於空間中的固定能量密度。一如其名，這假說中的暗能量密度是個常數，並不會隨著時空變動。直到目前為止，除了些許差異，天文物理的觀測證據與宇宙常數假說的解釋最吻合。

另外，暗能量可能是個遍及全宇宙的能量場，稱為「第五元素」（quintessence），在空間中各點抵消重力的特性。物理學家非常熟悉場的概念，能夠透過場來描述日常生活中電磁力與重力如何運作（雖然這些力通常來自小範圍的局部源頭，而非充斥整個空間）。

假如暗能量是一個場，強度將無法保持固定，會隨著時間改變。在此狀況下，暗能量可能一度比現今強一些、或微弱一點，因此在不同時刻對宇宙造成不同的影響。同理，它在未來的強度變化，也會衝擊宇宙的未來。在此假說中，有種模型稱為「冰凍場」，其暗能量的變化隨著時間漸趨緩慢；在另一種「融化場」的模型里，場的變動則由緩趨急。

解釋宇宙加速膨脹的第三項假說，是暗能量根本不存在，愛因斯坦的重力理論未能解釋宇宙加速膨脹的物理機制，也就是廣義相對論並不完備。在星系團或整個可觀測宇宙這樣極大的尺度中，重力運作的定律可能不符合理論預測，反而有奇怪的重力現象。按照這樣的邏輯，物理學家提出了一些理論猜想，但目前沒有條理一致的理論可解釋所有的觀測結果，因此暗能量似乎比這假說稍佔上風。

關鍵詞: 暗能量宇宙