暗能量是什么？看不到也摸不着，我们该如何找到它？

爱因斯坦对于宇宙的理解错了吗?

爱因斯坦的广义相对论重新改写我们对于时间、空间、与质量的认知，也开启我们对广大宇宙研究的大门。

在宇宙物理学如同大霹雳快速发展之时，我们也发现爱因斯坦最早提出的宇宙模型，可能并不完全正确。

正确来说，我们发现我们过去对宇宙的理解，可能真的太少了。少到我们至今所观测到的所有物质，可能仍不到整个宇宙组成的百分之五。并不是说这些能量或物质距离我们太过遥远，而是他们可能就在附近，而我们却全然不了解它。

其中占了将近宇宙组成七成的“暗能量”，到底是什么来头?我们能彻底了解它，同时能为我们宇宙的存在，提供一个正确的解释模型吗?又或者我们能掌握它，来改变宇宙的未来吗?

暗能量（dark energy）到底是什么?这听起来有够中二的名字，难道是暗影大人的新能力吗?

其实暗能量的“暗”，指的是我们看不到也摸不到，用上各种波段的电磁波都察觉不到，甚至现今没有任何仪器能侦测到它的存在。因为我们无法感受到它、不知道他们的型态，所以称为暗能量。也就是说，如果暗影大人或是哪个最终 BOSS 的绝招是“暗能量波动”，当巨大的能量朝你袭来，不用担心，站在原地就好，因为它只会穿过你的身体，打不中你的。同样的，你可能听过的“暗物质”，指的也是我们无法探知的未知物质。也就是说，暗物质并不是指某种特定物质叫做暗物质，任何我们现在还无法探测到的，都可能是暗物质的其中一种。题外话，近年某些暗物质面纱底下的容貌，已经逐渐能被我们窥见，例如微中子。这部分，之后我们介绍暗物质的节目中，再来好好讨论，今天先来和大家聊聊占了宇宙质能 7 成的暗能量。

矛盾大对决来了，既然我们摸不到，也看不到，我们怎么知道暗能量存在，还是仅存在我们的中二想象中呢?我们得将时间回推到最早认为宇宙中有未知能量存在的那个人，他不是别人，就是鼎鼎大名的爱因斯坦。

1916 年爱因斯坦推导出广义相对论，解释物质和能量如何影响时空的弯曲和演化。爱因斯坦当时认为，宇宙应该是静态的，但是若宇宙中只有物质，宇宙应该会受重力吸引而塌缩，因此需要与反向的能量来平衡重力，这股能量平均地存在在空间当中。爱因斯坦当时引入了宇宙常数 Λ 来平衡他的静态宇宙模型，而直到非常近期的 1998 年，暗能量 （dark energy） 这个词才由物理学家麦可.特纳提出。

在爱因斯坦之后，著名宇宙学家傅里德曼提出不同看法，他认为宇宙不一定是平衡的，也可能正在收缩或膨胀当中，并根据广义相对论推导出 Fridemann 方程式，关于 Fridemann 方程式的故事，先前我们有好好介绍过。

暗能量不只存在于理论上的预测，同时期天文学家开始发现我们熟知的银河系，并无法代表整个宇宙，原来夜空中很多像星云的天体，其实是遥远的星系!宇宙远比以前认为得大的太多了!1929 年，哈伯进一步发现，这些星系竟然正在远离我们而去，而且距离我们愈远的星系，远离的速度就愈快!宇宙竟然真的是以地球为中心，而地球利用强大的排斥力，将其他星系用力向外推开吗?当然不是，想象一下，宇宙就像一个葡萄干面包，上面布满的葡萄干就是各种天体，当面包发酵膨胀时，不论站在哪颗葡萄干的视角，所有天体的距离都是互相拉远，而且距离愈远的天体，彼此远离的速度就愈快。

也就是说，哈伯观测到的结果显示整个宇宙正在膨胀。但还有一个问题，就是这个宇宙的膨胀速度，是随着时间经过越来越快的加速膨胀，还是膨胀速度正随着时间在趋缓的减速膨胀呢?为什么这个问题很重要?因为如果是减速膨胀，靠现有的重力理论就可以解释，宇宙中天体所提供的重力，正在使宇宙减速膨胀，甚至宇宙的结局可能会是宇宙重新塌缩。但如果宇宙正在加速膨胀，那么只考虑重力就不够了，为了抵抗向内塌缩的重力，势必要有一股力量要将宇宙向外加速推开。这时，就需要加入暗能量的存在了。

宇宙真的正在加速膨胀?

为了确认宇宙正在减速或加速膨胀，好推算暗能量是否存在，科学家再次将目光投向宇宙深处。随着观测技术愈来愈进步，天文学家可以透过不同方式，观测更早期的宇宙。

愈远的天体发出的光，需要经过愈长的时间才能传到地球。假设我们观察离地球1亿光年远的星球，由于我们看到的影像是从星球出发后，经过 1 亿年后才到达地球，因此在望远镜中看到的，其实是该星球一亿年前的样子。只要利用这点，如果我们将望远镜头对向更加遥远的宇宙深处，就能看到更早期的宇宙样貌，帮助我们了解宇宙过去的样子。

科学家主要透过三种方法，分别用来观测晚期、中期、到早期的宇宙。第一种方法是观测 Ia 型超新星爆炸，它指的是当一颗致密白矮星到了生命末期，吸收大量邻近伴星的气体，使得内部重力超过某个极限，引发失控的核融合而形成的超新星爆炸。这个爆炸会在瞬间释放出许多能量，亮度甚至可以媲美整个星系，因此即使是很遥远的超新星也可以被地球观测到。最受天文学家关注的是，因为每个 Ia 型超新星爆炸时产生的尖峰光度都相同，可以直接作为观测或是亮度的比对参考点，又称为标准烛光。当它离我们愈远亮度就愈小，只要观测亮度就可以得知它离我们的距离。

Ia 超新星残骸。图/wikimedia

接着，透过光谱分析，我们还能得到这个超新星远离我的的速度。这就像是救护车在靠近和远离我们的时候，警笛的声音频率会因为我们和救护车相对速度的改变而产生变化，同样的道理放在电磁波上，当超新星远离我们，电磁波频谱的频率会下降，我们称为频谱“红移”。最后，只要我们同时观测好几颗超新星，并且量测每一颗的距离和远离我们的速度，看看是不是真的离我们越远的超新星离开的速度越快，就可以知道宇宙正在加速或是减速膨胀。

第二种方法是观测宇宙大尺度结构，宇宙中星系的分布其实是不均匀的，有些地方有星系团，也有一些地方是孔洞，整个宇宙就像是网子一样。这是因为宇宙在形成星系时，向内的重力以及向外的气体与光压力会彼此抗衡，就像我们在挤压弹力球一样，向内压时内部压力会增强，导致物质向外抛射，压力减弱后又会停止抛射，这样来回震荡的过程，就在宇宙中形成一个个震波涟漪，称为重子声学振荡（BAO，baryon acoustic oscillations）。有趣的是，当好几个地方都在震荡，就会产生类似好几个水波互相撞在一起的干涉现象。而这个宇宙规模的超大水波槽中，波腹部分聚集较多物质就会形成星系团，波节部分不足以形成星系就形成孔洞，是不是觉得我们的宇宙就像是一锅汤，而我们只是里面毫不起眼的一颗胡椒粒呢?不过即使是连一粒胡椒都不如的我们，透过观测宇宙星系分布并透过理论计算，人类科学家还是可以得知这些结构的大小，并且推知这些结构上的星系距离我们多远，最后再搭配红移光谱，一样可以算出宇宙膨胀的速度。今年七月升空，11 月 8 号从太空传回第一张照片的欧几里得太空望远镜，它的其中一项任务，就是专门观测重子声学振荡，来研究宇宙大尺度结构。欧几里得太空望远镜有望带给我们对宇宙的全新认知，关于这一部分，我们很快会再来深入介绍。

第三种方法是透过观测宇宙微波背景辐射，它是宇宙的第一道曙光，在此以前，宇宙能量很高，光和电浆相互作用，不会走直线。但是到了宇宙三十八万岁时，宇宙已经冷却到足以让电子与原子核结合，宇宙终于变得干净了，光也终于可以走直线。而三十八万岁时的早期宇宙的画面，至今仍不断经过遥遥 137 亿年的时间抵达地球，被我们观测到，称为宇宙微波背景辐射。有趣的是，根据这些照片，我们能发现早在 137 亿年前，宇宙各处就不是均匀的。透过分析这些微波的分布，科学家能计算出当时宇宙的组成成份。这时我们发现，目前的已知物质，也就是元素周期表上看得到的原子，只占所有能量的 4.93%，而看不到的暗物质，占 27.17%，那还有 67.9%，将近七成的组成分是什么?科学家认为就是暗能量。

宇宙微波背景辐射。图/wikimedia

哇!暗能量占的比例这么高?那我们未来有机会从空间中汲取无限的能量吗?先不要想的这么美，其实暗能量在宇宙中的密度很低，依照质能等价公式，质量跟能量是可以互相换算的。换算下来暗能量每立方厘米只有 10 的负 24 次方公克，相比之下，水的密度是立方厘米 1 公克!真的微乎其微。之所以暗能量在宇宙中占的能量比这么大，是因为它均匀的存在在广大无垠的宇宙中，不像一般的物质，只集中在一些星系和星体中。

现在我们知道暗能量存在，而且量也不少，但回到最关键问题，这些暗能量到底是怎么来的呢?

宇宙与暗能量的未来

科学家普遍认为暗能量是来自“真空能量”，根据量子力学，我们过往认为的真空，其实会不断短暂的出现粒子并消失。而这些量子涨落便会产生真空能量。虽然这听起来很玄，但各位看完我们的影片并按下订阅之后，这些订阅数就一定会是真的。都看到影片最后一段了，就拜托大家再多动一下手指吧!

而量子力学除了能在真空中产生真空能量以外，这个过程甚至可能帮助我们开启虫洞!关于真空能量与时空旅行的关系，可以参考我们的这一集哦（闪电侠）。

为了重新认识我们的宇宙，科学家此时再次拿出了宇宙常数 Λ 和 Fridemann 方程式，建立了一个可以完美解释前面三种观测结果的模型-ΛCDM 模型。

ΛCDM 是近代在解释宇宙微波背景辐射、宇宙大爆炸时，最常被使用的理论。目前对于宇宙历史与加速膨胀的图像，也都基于此模型。

ΛCDM模型，加速扩张的宇宙。图/wikimedia

不过 ΛCDM 理论仍有两个致命的问题待解决。第一个是理论中的宇宙常数 Λ，应该要与位置、时间无关，是一个不随时间变化的常数。然而针对观测早期和晚期宇宙所计算出来的宇宙常数数值却不一样，要如何解释这个观测差异?第二个问题是，假设暗能量是真空中的量子涨落所造成，依此推算出的宇宙常数数值，还跟观测差了 120 个数量级!也就是 10 后面有 120 个零，整个宇宙中的原子数量也才 82 个数量级而已!

因此科学家也提出其他可能的暗物质理论。比如认为暗能量不是来自真空能量，而是由一种未知的粒子场所驱动，而这个场与时间有关，导致早期和晚期宇宙的观测结果有差异。还有人认为根本没有暗能量存在，宇宙会膨胀，是因为爱因斯坦的广义相对论在宇宙学这种大尺度中是不适用的!就像牛顿的万有引力公式在地球上管用，到了太阳系规模就会出现误差。或许在宇宙规模还有比广义相对论更完备的其他理论等待我们发现!另一派科学家也认为没有暗能量，我们会看到加速膨胀，只是因为银河系刚好位于宇宙大尺度结构的孔洞中，也就是葡萄干面包里面空气比较多，口感比较松的地方，由于这个地方总体重力比较小，天体也就是葡萄干之间向外膨胀的速度比较快，但不代表整个葡萄干面包都在加速膨胀，宇宙加速膨胀只是局部观测的假象。

这些理论或许可以解释部分的问题，但没有一个能解释所有观测数据，而且由于观测的限制，这些理论都缺乏数据的佐证。因此目前我们只能说，暗能量的效应确实存在，但我们还不知道它确切是什么。

有人可能想问，研究暗物质对我们真的那么重要吗?其实，它不只影响了宇宙过去演化的历史，也影响着我们将来的命运。由于宇宙膨胀，物质的密度会因为膨胀被稀释，但如果暗能量是常数，就代表密度不会改变，因此宇宙会膨胀的愈来愈快，导致遥远的星系加速离我们远去，最后暗能量会超过所有的基本作用力，包括重力、电磁力和核力，星系、太阳系、地球都将被拉开，甚至中子和质子都互相分离，使原子不复存在，进入大撕裂时期，也将是宇宙最孤独的结局。不过这是一百多亿年后的事情，在那之前地球会先被死去的太阳吞没，我们应该要先烦恼的是要如何移民其他星球才是。

最后总结一下，暗能量到底是什么?很抱歉，经过了几十年的努力，这个问题依旧是一个问号，但藉由宇宙学的研究，使我们更谦卑更加发觉自身的渺小，我们或许已经掌握许多物质运作的原理，也开发出许多高科技产品，但这些只是整个宇宙的 5% 仔，宇宙中还有许多未知等待我们去探索，而它深深关系到我们的过去和未来。

最后也想问问大家，你觉得当一切真相大白之时，我们会发现暗能量是什么呢?

符合最直觉的 ΛCDM 理论，它就是宇宙加速膨胀的元凶!

它根本不存在，我们甚至需要比广义相对论更强的理论来解释!

依照人类这个物种的感知等级，可能永远无法了解暗能量的真相!

我、我已经无法抑制我左手的暗能量了!啊啊啊～