不久之前，中国科学技术协会发布了2025十大前沿科学问题。其中，“暗能量与哈勃常数危机”赫然在列，成为了唯一上榜的天文学问题。这可以说是实至名归的，因为最近几年暗能量研究领域的确正在经历着一场革命性的变化。最新的天文观测成果很可能揭示了暗能量的演化特性，为科学家们探索宇宙的演化历史和未来命运提供了非常重要的帮助。

暗能量的概念起源于宇宙加速膨胀现象的发现。要想理解暗能量，就要先弄清宇宙加速膨胀的奥秘。接下来，我将分上下两篇，上篇为大家介绍宇宙膨胀的概念以及加速膨胀的发现，下篇再为大家带来暗能量的故事。

宇宙膨胀的发现史

首先，宇宙膨胀是怎么被发现的？让我们把时间回转到一百年前的20世纪初，天文学家斯利弗（V. Slipher）通过观测发现了大量螺旋星云的光谱存在红移现象。当星星远离我们而去时，它发出的光在我们看来波长会更长，光谱向红端移动，这叫做红移，这说明这些星云正在以非常快的速度远离我们。而当星星向我们靠近，它发出的光在我们看来波长会更短，光谱向蓝端移动，这叫做蓝移。

红移、蓝移示意图

（图片来源：Wikipedia）

如今，我们已经知道，螺旋星云其实就是独立于银河系外的其他星系，但是当时的天文学家对此存在争议，他们甚至不知道银河系是否就是宇宙的全部，因此并没有将观测到的星云红移与宇宙演化联系在一起。

转机发生在20世纪20年代，天文学家哈勃（E. Hubble）通过造父变星测距方法测量了许多星云与我们之间的距离。他发现这些星云离我们太过遥远以至于不可能属于银河系的范围之内，以此证明了星云是独立于银河系的其他星系，否定了银河系在宇宙中的特殊地位。

实际上，从地心说到日心说再到银河系孤岛说，所有认为人类所在之处地位特殊的观点最终都被天文观测结果所否定。我们所在的地球，或者太阳系、银河系，在茫茫宇宙中也只是一粒普通得不能再普通的尘埃罢了，并没有什么特殊的地位。可以说，在极大的尺度上，没有任何一个位置、任何一个方向在宇宙中是特殊的。这种观点最终上升成为了所谓的“宇宙学原理”——即认为宇宙在极大尺度上是均匀且各向同性的（各向同性是指从各个方向上观测到的宇宙都几乎相同）。

1929年，哈勃将自己对星系距离的测量和对星系红移量的测量结合在了一起。他发现红移量与星系的距离大致成正比关系，即离我们越远的星系远离我们的速度越快。这意味着什么呢？由于我们所处的位置在宇宙中并不具有特殊的地位，所以这个结论应当是普适的。也就是说，任何两个相距足够遥远的星系之间实际上都会相互远离，且远离的速度正比于星系之间的距离。这在后来被称为哈勃定律。它向我们揭示了一个事实：宇宙的空间本身正在膨胀。

哈勃定律：宇宙膨胀造成星系之间远离的速度正比于星系之间的距离。

（图片来源：参考文献[1]）

宇宙是怎么膨胀的？

让我们用气球作为一种类比。气球的表面可以类比一个二维化的宇宙空间，注意是气球表面而不是内部。我们在一个巨大气球的表面随机且均匀地放上许多蚂蚁，它们就代表着相距遥远的星系。当气球充气时，气球的表面就会膨胀拉伸，从而气球上所有相距足够远的蚂蚁都会相互远离，且相距越远的蚂蚁之间远离的速度越快。

当然，蚂蚁本身相对气球也会有缓慢的移动，所以如果一些相距太近的蚂蚁本身的速度大于气球膨胀带来的远离速度，它们可能就会相互靠近而不是远离。但是，相距足够遥远的蚂蚁之间一定是相互远离的。

宇宙膨胀的气球类比。膨胀会造成遥远星系相互远离，并使宇宙中传播的光波红移。

（图片来源：参考文献[1]）

宇宙膨胀的几何描述和这个是类似的，只不过宇宙是三维的，它可能要借助“四维气球”的三维表面或者其他复杂的三维曲面才能描述。有一种误解认为宇宙膨胀是像炸弹爆炸般由某一个空间点向四周发散。这是不对的。我们可以看到在气球的类比中，气球上蚂蚁的位置几乎是固定的，只是蚂蚁之间的空间在扩大。这是一种处处均匀的膨胀，而不是像炸弹爆炸那样有一个中心点。实际上，一个均匀各向同性的宇宙就是没有中心的。

宇宙膨胀意味着宇宙的尺度是时间的函数。在宇宙学中，我们习惯用字母 来表示宇宙的空间尺度，用字母 来表示时间，那么函数 就描述了宇宙尺度随时间的变化规律。

宇宙尺度 是一个相对的尺度，需要规定一个基准，然后才能探讨相对这个基准的变化。比如说，我们可以把今天的宇宙尺度规定为 ，如果未来某个时刻宇宙的尺度演化至 ，那就意味着宇宙中所有遥远星系两两之间的距离全都变成了今天它们之间距离的两倍（前提是星系本身的移动可忽略）。反过来，如果过去某个时刻宇宙的尺度是 ，那就意味着那个时候遥远星系之间的距离只有现在时刻的1/2。

宇宙尺度作为时间的函数。这里我们设宇宙今天的尺度为1，从宇宙诞生后3万年开始绘制。

（图片来源：作者自绘）

宇宙膨胀也有快慢之分。在宇宙诞生初期，原子刚刚形成的时候，宇宙的膨胀速度是非常快的。那时宇宙的尺度只需要花费几十万年的时间就可以增大一倍。而现在，宇宙的膨胀速度相比它诞生初期要慢很多——宇宙尺度增大一倍需要花费几十亿年的时间。

需要强调，这里说的“膨胀速度”和我们常说的物体的运动速度不是一个概念，它是单位时间内宇宙尺度膨胀的倍率，和运动速度是不可比的。就好比“网速”和运动速度是不可比的。能够与运动速度相比的是宇宙膨胀造成某两个星系之间相互远离的速度，这个速度一般被称为“退行速度”。前面说过，它和两星系之间的距离成正比。

宇宙膨胀是减速还是加速？

宇宙现在的膨胀速度比诞生初期要慢很多，说明宇宙在其演化历程中的很长一段时间里都是在减速膨胀的。换句话说，宇宙的“膨胀加速度”是负的。从直觉上，这一点很符合常理。由于宇宙的星系之间存在引力的牵制，所以它们之间相互远离的速度似乎就应当是越来越慢的。从理论上，爱因斯坦的广义相对论在一定条件下也可以推导出这样的结论。

这里我要引入一个概念——物质的状态方程，它用符号 表示。状态方程 是物质的一种性质，它描述的是某种物质的能量密度 如何随宇宙尺度 变化。具体的变化关系是：能量密度 反比于宇宙尺度 的次方。

物质能量密度方程和宇宙膨胀加速度方程

（图片来源：作者自绘）

举个例子，对于我们熟悉的星系物质，宇宙尺度膨胀为原先的2倍，宇宙的体积因子就会变为原先2的3次方倍，也即8倍，星系密度就会下降为原先的1/8。由此，结合上一段中的变化关系，我们可以判断星系物质的状态方程就是。

宇宙中有很多种物质，可以将它们各自的状态方程按照它们在宇宙中的比例加权平均，得到宇宙整体的状态方程。这个整体的状态方程就决定了宇宙膨胀的加速度。从广义相对论可以证明，宇宙膨胀加速度的正负号与的正负号相反。这就是说，如果宇宙中物质的整体状态方程，宇宙就会减速膨胀。而如果，宇宙就会加速膨胀。

刚才我们提到，星系物质的状态方程。因此根据上面的讨论，我们可以得到这样一个结论：一个被星系物质所主导的宇宙应当是减速膨胀的。

按照这样的理论，如果今天的宇宙仍然是被星系物质所主导的，那么宇宙现在时刻也应当和之前一样是在减速膨胀的。实际上，在上个世纪的绝大多数时间里，宇宙学家们也普遍相信这一推论。毕竟，我们的宇宙如果不是被星系物质所主导，还能被什么东西所主导呢？然而，上世纪末的一系列天文观测结果颠覆了人们的认知。有两个世界顶尖的天文研究团队几乎同时发现——我们的宇宙竟然正在加速膨胀！

测量宇宙的膨胀加速度

发现宇宙加速膨胀的两个天文研究团队分别叫做“超新星宇宙学计划”和“高红移超新星搜寻团队”。他们都是通过观测大量的Ia型超新星来测量宇宙近几十亿年来膨胀速度的变化。Ia型超新星是一种发生了剧烈爆炸的白矮星，它在爆炸之前会吸积附近伴星的物质，使得它的质量越来越大。当它的质量达到钱德拉塞卡极限（约1.44倍太阳质量），它就会坍缩并触发内部的碳核聚变，剧烈的核爆炸会将整颗白矮星炸碎，并释放出极其耀眼的光芒。

Ia型超新星示意图。左边是它在爆炸前的景象，右下角那颗较小的星星是白矮星，可以看到它正在吸积附近的一颗巨大的伴星。右边是Ia型超新星爆炸数天后的景象。

（图片来源：欧洲南方天文台）

由于每一颗Ia型超新星都是在质量达到1.44倍太阳质量时发生爆炸，所以它们发出光芒的绝对亮度几乎都是相同的，只是我们看到的视亮度会因为超新星有远有近而有所区别——离我们近的超新星看上去会亮一些，远的看上去会暗一些。视亮度会按照距离的平方反比衰减。因此，Ia型超新星可以作为一种标准烛光来实现星际距离的测量。

假如我们测量到某个Ia型超新星的视亮度，但是不知道它距离我们有多远，我们就可以将它的视亮度与Ia型超新星的绝对亮度（或者说在某个确定距离下的亮度）进行对比，然后根据视亮度随距离的衰减规律就可以判断这颗超新星距离我们有多远。

同时，Ia型超新星的光谱红移也是可以测量的。光谱红移很大程度上是宇宙膨胀造成的，它可以反映出超新星在爆炸时（这是遥远过去的某个时刻）远离我们的退行速度。一颗超新星的光谱红移量越大，说明它在爆炸时刻相对我们的退行速度越快。将大量Ia型超新星的亮度和红移的测量值结合起来，我们就可以知道不同距离处的超新星在爆炸时正在以多快的速度远离我们。这样一来，我们就可以推出宇宙在遥远过去各个时刻的膨胀速度，从而判断宇宙的膨胀正在减速还是加速。

1998年，两个天文研究团队先后发布了对大量Ia型超新星的距离和红移的观测数据，结果展示在下面这张图中。

观测到Ia型超新星的红移-距离关系。大部分超新星的红移量偏低，更符合加速膨胀的宇宙所预言的红移-距离曲线（黑色曲线）。

（图片来源：参考文献[1]）

可以看到图中有三条曲线。其中，中间那一条紫色的线根据理论计算得出，表示在假设宇宙匀速膨胀条件下，超新星红移和距离之间的关系。如果宇宙是减速膨胀的，那么说明过去宇宙的膨胀速度比现在快。这意味着相同距离处星星的退行速度也更快，光谱的红移量会更大，红移-距离曲线会更类似于图中偏左上方的红色曲线。而如果宇宙的膨胀正在加速，那么说明过去宇宙的膨胀速度比现在慢，相同距离处星星的退行速度也更慢，光谱红移更小，红移-距离曲线会更偏向于图中偏右下方的黑色曲线。

图中黑色的点是测量得到的大量Ia型超新星的距离和红移值。可以看到，绝大多数的点都集中于黑色曲线的一侧，这说明观测到的绝大多数超新星都在加速远离我们——我们的宇宙正在加速膨胀！这一结论推翻了科学家们先前对宇宙的判断，并在后来的一系列研究中被进一步坐实。领导两个研究团队的三位天文学家因此获得了2011年诺贝尔物理学奖。

前面我们说，如果宇宙是被星系物质所主导的，那么根据理论公式，宇宙就应当是减速膨胀的。然而，天文观测却显示当前宇宙的膨胀并没有在减速。这说明，我们的宇宙当前并不是被星系物质所主导的。有一些神秘力量正在“占领”我们的宇宙，并推动着宇宙越来越快地膨胀。宇宙学家们把这种充斥着宇宙的神秘力量称为——暗能量。

暗能量究竟是一种怎样的存在？未来它会如何影响我们的宇宙？让我们在下篇中揭开它的神秘面纱吧。

参考文献：

[1]Chaisson, E., & McMillan, S. (2016).今日天文（高健、詹想，译）. 机械工业出版社.