[ 肖恩·迈克尔·卡罗尔（Sean Michael Carroll） -宇宙学家，物理学教授，专门研究暗能量和广义相对论，加利福尼亚理工学院物理系研究-约。佩雷夫 ]什么是暗能量？
如果实际上存在某个具有这种属性的实体，这就是使宇宙加速的原因。显然，我应该问-宇宙的“加速度”是什么意思？
首先，宇宙正在膨胀：哈勃表明，遥远的星系以与它们的距离成正比的速度逃离我们。“加速”是指，如果您测量其中一个星系的速度，然后在十亿年后返回它，然后再次测量速度，您会发现它已经增加了。星系正以越来越快的速度远离我们。但这只是简单的解释。可以更抽象，更科学地解释这一点吗？
遥远星系之间的相对距离可以归纳为一个指标，即“比例因子”，通常写为（t）或R（t）。实际上，这是宇宙的“大小”-尽管不是那么大，因为宇宙可以无限大。更准确地说，这是从一个时刻到另一个时刻的相对空间大小。宇宙的膨胀意味着比例因子随着时间的推移而增加。宇宙的加速度意味着它随着加速度的增加而增加，即具有正的二阶导数。这是否意味着用来衡量膨胀率的哈勃常数正在增加？
不行哈勃的“常数”（或“哈勃参数”，因为它随时间变化）描述了膨胀率，但这不仅仅是比例因子的导数：它是除以系数本身的导数。怎么了因为以这种方式，它变得无量纲，并且不会随着协议的更改而更改。哈勃常数是一个乘数，表示宇宙比例因子的变化率。如果宇宙变慢，则哈勃常数会减小。如果哈勃常数增加，则宇宙加速。但是有一个中间模式，宇宙在该模式下膨胀，但哈勃常数却减小了-我们认为宇宙生活在这种模式下。各个星系的速度在增加，但是使宇宙的大小加倍需要花费更多的时间。换句话说：哈勃定律在方程v = H * d中将星系v的速度与到它的距离d相关联。即使Hubble参数减小，此速度可能也会增加；如果它减小得比距离增长慢。但是天文学家真的会等待十亿年重新测量星系的速度吗？
不行 我们测量非常遥远的星系的速度。随着光以每年一光的固定速度行进，我们可以回顾过去。速度历史及其过去差异的重建向我们揭示了宇宙加速的事实。以及如何测量到遥远星系的距离？
这不容易。最可靠的方法是通过“标准蜡烛”（一种可以从远处看到的相当明亮的物体），并事先知道其自身的亮度。然后，您只需测量其亮度即可计算到它的距离。越淡，越远。不幸的是，不存在标准蜡烛。那他们做了什么？
幸运的是，我们有一个稍逊一筹的方法：标准化蜡烛。一种特殊的超新星Ia型非常明亮，虽然亮度不高，但是亮度差不多。幸运的是，在1990年代，马克·飞利浦（Mark Philips）发现了固有亮度与超新星达到最大亮度后消失所需时间之间的惊人关系。结果，如果我们测量亮度，并且亮度会随着时间而降低，那么我们可以校正此差异，并建立可用于测量距离的通用亮度标度。为什么Ia型超新星竟然是标准化蜡烛？
我们绝对不确定-基本上，所有内容都是凭经验计算的。但是有一个想法-我们认为这些超新星是在白矮星从外部吸引物质直到达到钱德拉塞卡极限并爆炸时产生的。而且由于整个宇宙的限制是相同的，因此超新星具有相似的亮度也就不足为奇了。可能由于恒星组成不同而产生偏差。但是你怎么知道什么时候会出现超新星呢？
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-和巨型望远镜。今天，您可以确定，作为观察结果，可以收集数十个超新星-但是当Perlmutter开始与他的团队合作时，这一点都不明显。他们通过这项工作发现了什么？
大多数天文学家（几乎所有的天文学家）都期望宇宙减速-星系将通过引力相互吸引，这将减慢它们的运动。但是事实证明，遥远的超新星似乎比预期的要暗淡-这表明它们的位置比预期的更远，也就是说，宇宙正在加速发展。为什么宇宙学家如此迅速地接受了这一结果？
甚至在1998年宣布结果之前，很明显宇宙就出了点问题。就像宇宙的年龄小于它最古老的恒星的年龄一样。问题远没有理论家所预期。在很大程度上，这些结构并不那么明显。暗能量的发现一举解决了所有这些问题。一切都准备就绪。因此，尽管人们相当谨慎，但经过这一观察，宇宙变得更加清晰了。但是，我们怎么知道超新星看起来并不暗淡，不是因为它们被某些东西遮盖了，还是因为过去的一切都不一样了？
这个问题是合理的，研究超新星的两个团队非常积极地进行了分析。您永远无法百分百确定，但可以不断收到新的确认。例如，天文学家早就知道遮蔽物质比红光更容易散射蓝光，其结果是气体和尘埃云后面的恒星“发红”。您可以寻找这种发红，而对于超新星来说，那是微不足道的。而且，现在我们有大量独立的证据得出相同的结论-因此，看来使用超新星的初始测量值对我们而言并不重要。是否有独立证据证明暗能量的存在？
哦耶 最简单的论点是减法。遗物辐射告诉我们宇宙中包括物质在内的全部能量。星系和星团的局部测量给出了物质的总量。事实证明，物质仅占总能量的27％，这使我们剩下73％的某种形式的物质对我们来说是不可见的，但并不重要：“暗能量”。这个数量足以解释宇宙的加速。其他证据是声子重子振荡（大型结构上的波，其大小有助于研究宇宙膨胀的历史）以及结构扩展时的演化。那么，什么是暗能量？
很高兴你问！暗能量具有三个主要属性。首先，它是黑暗的。我们看不到它，据测量所知，它根本不与物质相互作用（如果相互作用，则超出了我们观察的可能性）。其次，它分布均匀。它不会在星系和星团中积累，或者我们可以通过研究它们的动力学来发现它。第三，它是恒定的。随着宇宙的膨胀，暗能量的密度（每立方光年的能量）保持恒定。它不会像物质一样消散。最后两个属性允许我们将其称为“能量”而不是“物质”。随着宇宙的扩展，暗能量的行为不像具有局部动力学和散射的粒子。暗能量是另外一回事。有趣的故事。暗能量究竟能变成什么呢？
这个地方的主要候选人是最简单的：“真空能量”或“宇宙常数”。因为我们知道暗能量是均匀分布且恒定的，所以首先想到的是它是完美分布且完全恒定的。这就是真空的能量：每一个空间都拥有一定量的能量，并且从一个地方移动到另一个地方或随着时间的流逝都不会改变。如果您有兴趣，每立方厘米1亿erga。但是真空能和宇宙常数没有区别吗？
是的 不要相信任何否认这一点的人。当爱因斯坦第一次提出这个想法时，他并不认为它是“能量”，而是认为它是对时空曲率与能量相互作用方式的一种修改。但事实证明，这是一回事。如果某人不相信这一点，请问他将要区分哪些观察结果。真空能不是从量子涨落中获得的吗？
不完全是 所有现象的整个山峰都能产生空的能量，其中有些是完全经典的，没有量子涨落。但是量子波动也被添加到导致这种能量出现的经典现象中。它们非常坚固，这导致我们遇到宇宙常数的问题。宇宙常数的问题是什么？
如果我们只知道经典力学，那么宇宙常数将只是一个数字-没有理由使它特别大或小，正或负。我们只是测量一下并使其平静下来。但是，我们的世界不是古典的，而是量子的。并且在量子场论中，经典量必须经过量子校正。在真空能量的情况下，这些校正具有虚拟粒子能量的形式，其波动发生在空白空间的真空中。我们可以将这些波动产生的能量加起来并得到无穷大。显然，这是不正确的，我们怀疑我们在夸大计算。例如，这种粗略的计算包括所有大小的波动，包括小于普朗克长度的波长，在这种情况下，时空可能会失去其概念上的可靠性。如果仅求和比普朗克长度更长的波长，就可以得到宇宙常数的估计值。结果，比观察值多出10 120。这种差异是宇宙常数的问题。为什么宇宙常数这么小？
没有人知道。尽管我们无法处理超新星，但许多物理学家相信存在潜在的对称性或重置宇宙学常数的动力机制，因为我们相信它小于我们的估计。现在我们需要解释为什么它很小以及为什么它不是零。而且，还有一个重合的问题-为什么暗能量和物质的密度的数量级重合。那真是太糟糕了：目前，关于人类学常数含义的最好解释是人类原则。如果我们生活在一个多元宇宙中，真空能量的值在不同的区域有所不同，那么我们可以说，生命只能存在于真空能量远低于估计值的区域（以及进行观察并获得诺贝尔奖）。如果它既大又积极，那么星系甚至原子将被撕裂。如果它既大又消极，那么宇宙将很快崩溃。在这种情况下，典型的观察者会收到接近观察到的值。史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）于1988年做出了这一预测，这一发现远远早于宇宙加速的发现。但是他并没有强烈主张这样做，他只是说：“如果一切都是这样，那么我们将看到以下内容。”这些计算存在很多问题，尤其是当我们开始考虑“典型观察者”时，即使我们相信多重宇宙的存在。我很高兴对多元宇宙进行反思，但是我对我们能否对与该理论平台相关的可观测量做出任何预测表示怀疑。我们需要一个简单的公式来预测宇宙常数作为自然界所有其他常数的函数。我们没有它，但是我们尝试将其推出。提议的选项适用于量子引力，额外尺寸，虫洞，超对称性，非局部性以及其他有趣但投机的想法。到目前为止，没有任何事情扎根。有没有实验影响弦理论的发展？
是的：宇宙加速。在此之前，理论家认为有必要用零真空能描述宇宙。当有可能将其与零区分开时，便产生了一个问题，即是否可以将此事实推入弦论中。事实证明，这并不是那么困难。问题是，如果您找到一个解决方案，那么会有很多其他解决方案。这样的弦论理论为一种可以解释现实世界的独特解决方案打消了希望。那样很好，但是科学必须接受自然界提供的东西。巧合是什么问题？
随着宇宙的膨胀，物质变得模糊，暗能量的密度保持恒定。这意味着暗能量和物质的相对密度随时间变化很大。过去有更多的问题，将来暗能量将占主导地位。但是今天，它们大致相等。当数字可能相差10,100倍或更多时，则不考虑相差三倍。当有足够多的暗能量被发现而又没有足够的尝试值得诺贝尔奖时，为什么我们如此幸运地出生？这是一个巧合（为什么不是），或者我们生活在某个特殊的时间。部分由于这个原因，人们是如此渴望接受人类原则。事实证明宇宙是不一致的。如果暗能量具有恒定的密度并且空间扩展，这是否意味着能量不守恒？
是的，那很好。暗能量和真空能量有什么区别？
暗能量是导致宇宙加速的均匀分布且恒定的物质的公认术语。真空能量是暗能量作用的候选者之一，暗能量理想地是分布式且恒定的。那么，暗能量的作用还有其他候选人吗？
是的 您只需要一些分布均匀且恒定的东西。事实证明，这些事物大多数都失去了密度，因此寻找恒定能量的来源并不容易。最简单和最好的想法是精粹，它是一个充满宇宙的标量场，并随着时间的推移而缓慢变化。精髓的想法自然吗？
不特别。最初的计划是，通过观察动态变化的东西，而不仅仅是固定的东西，您可以找到关于为何暗能量如此微弱的巧妙解释，也可以解释巧合问题。但是这些希望没有实现。仅添加了新问题。根据量子场论，标量场很重。但是在典型情况下，标量场应该不切实际，10 -30最轻中微子的重量（但不为零）。这是一个问题，第二个问题-光标量场应与普通物质相互作用。即使这种交互很脆弱，也应该可以检测到它-但他们没有找到它。当然，这不仅是一个问题，而且是一个机会-也许最好的实验会发现“精髓的力量”，我们最终将处理暗能量。我们还能如何检验精髓的概念？
直接-使用超新星，只会更聪明。通常：以如此精确的方式绘制宇宙膨胀图，从而可以看出暗能量的密度是否随时间变化。通常，这表示为尝试测量暗能量状态方程的参数w。如果w为-1，则暗能量恒定-这是真空的能量。如果w稍微大于-1，则暗能量的密度降低。如果它略小于-1（例如，-1.1），则暗能量的密度会增加。由于许多理论上的原因，这很危险，但是我们仍然需要对此进行跟踪。什么是w？
之所以称为状态方程的参数，是因为它通过w = p /ρ将暗能量p的压力与其能量密度ρ连接起来。当然，没有人能够测量暗能量的压力，因此这个定义相当愚蠢-但这只是一个历史案例。重要的是暗能量如何随时间变化，但在GTR中，这与状态方程的参数直接相关。这是否意味着暗能量的压力为负？
没错 负压意味着物质拉动而不是推动，就像从两端向内拉的细长弹簧一样。这通常称为张力。因此，我提出了“平稳紧张”而不是“暗能量”的说法，但是我来晚了。为什么暗能量会使宇宙加速？
因为它是恒定的。爱因斯坦说，能量使时空弯曲。在宇宙的情况下，这种曲率以空间（而不是时空）和宇宙膨胀的曲率形式表现出来。我们测量了空间的曲率，它基本上为零。因此，恒定的能量导致恒定的膨胀率。特别是，哈勃参数接近常数，并且如果您回想起哈勃定律v = H * d，您将了解到，如果H几乎恒定，则v将随着距离的增加而增加。那里有。如果负压就像张力一样，为什么不将所有东西都拉在一起并推向侧面呢？
有时您会听到诸如“暗能量由于负压使宇宙加速”之类的表达。严格来说，是这样，但这有点相反：这样的表达只给人一种理解的错觉。有人告诉您，“重力取决于密度和三重压力，因此，如果压力等于或相反于密度，重力就会排斥。”听起来很合理，但是没有人会向您解释为什么重力取决于密度和三重压力。通常，重力不是取决于此，而是空间的局部扩展。问题是“为什么不紧张就把事情拉在一起？” 合法的。答案是，暗能量不会压在任何东西上，也不会拉扯任何东西。它不与普通物质相互作用，而是均匀地分布在空间中，因此，它将在一个方向上施加的任何张力都将由相反方向上的完全相同的值来补偿。通过重力作用的暗能量的间接作用使宇宙加速。实际上，暗能量使宇宙加速，因为它是恒定的。暗能量看起来像反重力吗？
不行 暗能量不是反重力，而仅仅是重力。想象一个世界，除了两个暗能量气泡，暗能量为零。这两个气泡不排斥，它们被吸引。但是在气泡内部，暗能量推动了空间，并扩大了空间。这就是非欧几里得几何的奇观。这是一种新的排斥力吗？
不行 这只是重力的一种新型来源。没有新的力量。暗能量和暗物质有什么区别？
这些是完全不同的东西。暗物质是我们尚未发现的粒子。我们知道它的存在，因为我们看到它在重力的作用下对各种物体（星系，星团，大型结构，遗留辐射）的影响。它是宇宙的23％。但是实际上，这是件好事，只是我们（到目前为止）无法解决的问题。它在重力的影响下积累，并在宇宙膨胀时消散。另一方面，暗能量不会累积或消散。它不是由粒子组成的，而是完全不同的东西。或者，也许没有暗能量，只需要在宇宙学尺度上稍微校正重力即可？
有可能至少有两种流行的方法可以实现这种想法：马克·菲利普斯和我帮助开发的f®重力，以及DGP重力-Dvali，Gabadadze和Porati。第一种方法是现象学的方法，在该方法中，爱因斯坦场方程只需通过在四个维度上校正作用即可更改，而第二种方法则使用只能在较大距离处固定的附加测量值。两者都有新的自由度和随之而来的不稳定问题-不一定是无法克服的，而是严重的。改良的重力值得考虑。但是，就精髓而言，至少在目前，它造成的问题比解决的问题多。我更喜欢以下对成功机会的预测：宇宙常数：0.9，动态暗能量= 0.09，修正引力= 0.01。黑暗能量对宇宙的未来有何影响？
取决于什么是暗能量。如果它是一个永恒的宇宙常数，那么宇宙将继续膨胀，冷却和空虚。结果，除了空白之外，什么也没有。宇宙常数可以暂时是常数。也就是说，将来可能会发生相变，此后真空能量将减少。然后，宇宙可能崩溃。如果暗能量是动态的，那么一切皆有可能。如果它是动态的并且不断增加（总是小于-1），我们甚至可以得到很大的差距。接下来呢？
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(Large Synoptic Survey Telescope) .
但是答案可能很无聊-暗能量将是一个简单的宇宙常数。这只是一个数字，怎么办呢？在这种情况下，我们显然需要改进的理论，以及相关经验数据源（粒子加速器，第五力搜索，重力检查）的贡献，无论您在何处都能获得有关如何将时空理论和量子场论结合到基础上的信息水平。科学的伟大之处在于，书的最后没有正确的答案；首先，您需要挖掘自我。暗能量是最大的挑战之一。