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宇宙學中，暗能量是某些人的猜想，指一種充溢空間的、具有負壓強的能量。按照相對論，這種負壓強在長距離類似於一種反引力。如今，這個猜想是解釋宇宙加速膨脹和宇宙中失落物質等問題的一個最流行的方案。
暗能量主要有兩種模型：宇宙學常數（即一種均勻充滿空間的常能量密度）和quintessence（即一個能量密度隨時空變化的動力學場）。區分這兩種可能需要對宇宙膨脹的高精度測量和對膨脹速度隨時間變化更深入的理解。因為宇宙膨脹速度由宇宙學物態方程來描寫，所以測量暗物質的物態方程是當今觀測宇宙學的最主要問題之一。
暗能量它是一種不可見的、能推動宇宙運動的能量，宇宙中所有的恆星和行星的運動皆是由暗能量來推動的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因為它在宇宙的結構中約占73%，占絶對統治地位。暗能量是近年宇宙學研究的一個里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要證據有兩個。一是對遙遠的超新星所進行的大量觀測表明，宇宙在加速膨脹。按照愛因斯坦引力場方程，加速膨脹的現象推論出宇宙中存在着壓強為負的"暗能量"。另一個證據來自於近年對微波背景輻射的研究精確地測量出宇宙中物質的總密度。我們知道所有的普通物質與暗物質加起來大約衹占其1/3左右，所以仍有約2/3的短缺。這一短缺的物質稱為暗能量，其基本特徵是具有負壓，在宇宙空間中幾乎均勻分佈或完全不結團。最近wmap數據顯示，暗能量在宇宙中占總物質的73％。值得註意的是，對於通常的能量（輻射）、重子和冷暗物質，壓強都是非負的，所以必定存在着一種未知的負壓物質主導今天的宇宙。
宇宙的運動都是旋渦型的，所以暗能量總是以一種旋渦運動的形式出現。所以，在暗能量的旋轉範圍內能形成一種旋渦場,我們稱之為暗能量旋渦場，簡稱為旋渦場。我們用en來表示太陽係的暗能量，用ep來表示物質繞太陽係中心運動的總動能。當en=ep時，太陽係旋渦場處於平衡狀態，它既不會膨脹也不會收縮。但當en衰退時，太陽係旋渦場就會收縮，太陽係中所有的行星就會嚮太陽靠近。
要提及暗能量，我們不得不先提及另外一個和它密切相關的概念——暗物質，之所以將其稱之為暗物質而不是物質就是因為它與一般的普通物質有着根本性的區別。普通物質就是那些在一般情況下能用眼睛或藉助工具看的見、摸得着的東西，小到原子、大到宇宙星體，近到身邊的各種物體遠到宇宙深處的各種星係。普通物質總是能與光或者部分波發生相互作用或者在一定的條件下自身就能發光、或者折射光綫，從而被人們可以感知、看見、摸到或者藉助儀器可以測量得到，但是暗物質恰恰相反，它根本不與光發生作用更不會發光，因為不發光又與光不發生任何作用，所以不會反射、折散或散射光即對各種波和光它們都是百分之百的透明體！所以在天文上用光的手段絶對看不到暗物質，不管是電磁波、無綫電還是紅外射綫、伽馬射綫、x射綫這些統統都毫無用處，故爾不被人們的感知所感覺也不被目前的儀器所觀測，故此為了區分普通物質和這種特殊的物質而將這種特殊的物質稱之為“暗物質”。
“暗能量”相比較暗物質更是奇特的有過之而不及，因為它衹有物質的作用效應而不具備物質的基本特徵，所以都稱不上物質故爾將其稱之為“暗能量”，“暗能量”雖然也不被人們所感覺也不被目前各種儀器所觀測，但是人們憑藉理性思維可以預測並感知到它的確存在。
特別是近幾年來，由於微波背景輻射的細緻觀測(wmap的精密數據,supernovae ia的數據)，呈現以下一些驚人的觀測結果和數據：
a) 宇宙年齡是137±2億年
b) 哈勃常數是0.71±公裏/秒/mp c
c) 宇宙呈現以下結構，宇宙總質量(100%)≌重子+輕子(4.4%)+熱暗物質(≤2%)+冷暗物質(≈20%)+暗能量(73%)，而總密度Ω0=1.02±0.02，亦即恰好差不多等同於平直空間所要求的臨界密度。（這個公式的意思是，在整個宇宙中我們目前所看到的星係衹占整個宇宙的約 4%左右，其餘約96%的物質都是我們看不見、不瞭解的東西。）
d) “暗能量”將呈現一些前所未有的一些全新的性質：
物質的狀態方程由p=wρn所表示，(其中p是壓力，ρ是密度，w是某一常數，n是某一數值)，普通物質w≥0，p≥0，ρ≥0，這就意味着物質所産生的壓力表現為正數、正值。
而暗能量的狀態方程中的卻是，w = -1。這則意味着“暗能量”的壓力是負數、負值，壓力是正值時就是我們所長說的“壓力概念”，這很好理解，物質的密度越大壓力則越大，而負值的壓力就不是通常所說的壓力了，而是人們常說的“吸力”更為關鍵的是這種負壓力p卻“負”得很大，大的讓人不敢想象？！
這究竟是什麽樣的物質為什麽會呈現這樣的特質？這會不會是一種人類尚沒有發現、更不曾知道的、全新的物質形態？有人寓言，這種新的物質形態的一經出現和被發現必將導致物理學理論的新的大突破和新的革命！！！
關於暗能量概念的起源，我們還得追溯到科學巨匠愛因斯坦他在1915年的相對論中提出一組引力方程式，方程式的結果都預示着宇宙是在做永恆的運動，這個結果與愛因斯坦的宇宙是靜止的觀點相違背，為了使這個結果能預示宇宙是呈靜止狀態愛因斯坦又給方程式引入了一個項，這個項就是現在人們稱之為的 “宇宙常數”。
1997年12月，作為“大紅移超新星搜索小組”的成員的哈佛大學天文學家羅伯特·基爾希納根據超新星的變化顯示，宇宙膨脹速度非但沒有在自身重力下變慢反而在一種看不見的、無人能解釋的、神秘力量的控製、推動下變快，問題是無人知道這個神秘力量是什麽？更無人知道為什麽是變快而不是變慢？這是出於什麽原因？它是如何發生的？關於這種力量及其載體至今無人能知曉，人們衹是猜測：我們現在所處的這個宇宙可能處於一種目前人類還不瞭解、還未認識到的繼目前物質的固態、液態、氣態、“場態”之後另一種物質狀態的物質控製、作用之下，這種物質不同於普通物質的一切屬性及其存在和作用機製，這種“物質”因其絶對不同於人們所熟知的普通物質態，故爾科學家為了區分它們暫且將它稱之為“暗物質”、將其具備的作用稱之為“暗能量”，“暗物質”、“暗物質”就成為當今天文學界、宇宙學界和物理學界等等科學界中最大的謎團之一。
後來人們經過哈勃空間望遠鏡觀測發現，事實上宇宙是在不斷膨脹着的並且這一觀測結果完全與引入“宇宙常數”之前的引力方程的計算結果相符合，愛因斯坦得知“實際上的宇宙是在膨脹着的”這個消息後非常後悔，因此他認為：“引入宇宙常數是我這一生所犯的最大錯誤！”此後那個“宇宙常數”便被人們所遺忘，後來的一次天文探測表示那個宇宙常數不但不等於零而且趨嚮無窮大，這就預示着宇宙中存在着某種“巨大的東西”，此後這個“宇宙常數”被賦予“暗能量” 的含義。近年來的科學家們一再通過各種的觀測和計算證實，暗能量在宇宙中的確約占到73％暗物質約占到23％普通物質僅占到4％，這可是一個驚人的數字和消息，這將預示着我們現在看到的宇宙、認識到的宇宙衹占整個宇宙的4%的比例，而占96%(57年諾貝爾奬得主李政道先生甚至還認為是99%以上)的東西竟然是不為我們所知道的。關於暗物質和暗能量的客觀存在性57年諾貝爾奬得主李政道先生在他所著的《物理學的挑戰》中已經詳細而全面的論證了在這裏限於篇幅，我不在作論述。
在新世紀之初美國國傢研究委員會發佈一份題為《建立誇剋與宇宙的聯繫：新世紀11大科學問題》的研究報告，科學家們在報告中認為，暗物質和暗能量應該是未來幾十年天文學研究的重中之重，“暗物質”的本質問題和“暗能量”的性質問題在報告所列出的11個大問題中分列為第一、第二位。
美國航天局在軌道中運行的威爾金森微波儀探測衛星收集到的材料也證明超新星在發生同樣的變化。這些變化的含義的確令科學家忐忑不安，因為這將預示着愛因斯坦、霍金等理論傢可能都錯了，影響並决定整個宇宙的力量不是引力和重力等已知作用力，而是以“宇宙常量”形式存在的“暗能量”和“暗物質”。
所以有人認為，暗能量在宇宙中更像是一種背景和一種“超導體”，它就像是空氣相對於人類或者是大海相對於魚兒一樣，故爾在宇宙物理學上它的確表現得更像一個真空，因此也有人把“暗能量”稱之為“真空能”。真空是不是就是“暗能量”？“暗能量”是不是就是“真空能”呢？如果真空真是“暗能量”那麽就應該具備一切能量的基本屬性和基本特徵——力量。可見真空是否具備力的特徵和力的屬性也就成為“暗能量”成為真空的前提條件。
綜上所述我們可以看出，所有矛盾的焦點都集中在真空是否具備力的屬性這個問題上，如果真空一旦被證明具備力的屬性，那麽“真空力”就成為獨立於萬有引力、電磁力、強力和弱力之後在自然界中普遍存在着的第五種自然作用力即“第五種力”；那麽真空就是物理學史上已經被拋棄的“以太”；而“以太”其實就是真空的某一種效應；那麽真空也就是那個占整個宇宙96%以上的份額並控製着整個宇宙的神秘能量——“暗能量”，這一切的一切就因為真空有力而變為現實、變為可知的、可*縱的東西。故爾真空是否具備力的屬性也就成為本文的核心中的焦點，那麽真空是否真實或者真正具備力的屬性呢？如果具有那麽又該如何讓它表現、顯露出來呢？
衆所周知，物理學其本身就是一門以實驗為基礎的科學，從伽利略的比薩斜塔實驗到邁剋耳遜——莫雷實驗，再到目前高科技下的各種高能物理粒子實驗無不說明實驗方法在物理學中占據着非常重要的地位並發揮着重要的作用。每一個新理論的背後都必須有着堅實的實驗作為後盾，每一個新實驗現象的出現也必將引發一套全新的理論體係，所以實驗是尋找並證實真空力的屬性的主要方法和途徑。
當意識到沒有足夠的物質能來解釋宇宙的結構及其特性時，暗能量出現了。暗能量和暗物質的唯一共同點是它們既不發光也不吸收光。從微觀上講，它們的組成是完全不同的。更重要的是，象普通的物質一樣，暗物質是引力自吸引的，而且與普通物質成團並形成星係。而暗能量是引力自相斥的，並且在宇宙中幾乎均勻的分佈。所以，在統計星係的能量時會遺漏暗能量。因此，暗能量可以解釋觀測到的物質密度和由暴漲理論預言的臨界密度之間70-80%的差異。之後，兩個獨立的天文學家小組通過對超新星的觀測發現，宇宙正在加速膨脹。由此，暗能量占主導的宇宙模型成為了一個和諧的宇宙模型。最近威爾金森宇宙微波背景輻射各嚮異性探測器（wilkinson microwave anisotrope probe，wmap）的觀測也獨立的證實了暗能量的存在，並且使它成為了標準模型的一部分。
暗能量同時也改變了我們對暗物質在宇宙中所起作用的認識。按照愛因斯坦的廣義相對論，在一個僅含有物質的宇宙中，物質密度决定了宇宙的幾何，以及宇宙的過去和未來。加上暗能量的話，情況就完全不同了。首先，總能量密度（物質能量密度與暗能量密度之和）决定着宇宙的幾何特性。其次，宇宙已經從物質占主導的時期過渡到了暗能量占主導的時期。大約在"大爆炸"之後的幾十億年中暗物質占了總能量密度的主導地位，但是這已成為了過去。現在我們宇宙的未來將由暗能量的特性所决定，它目前正時宇宙加速膨脹，而且除非暗能量會隨時間衰減或者改變狀態，否則這種加速膨脹態勢將持續下去。
不過，我們忽略了極為重要的一點，那就是正是暗物質促成了宇宙結構的形成，如果沒有暗物質就不會形成星係、恆星和行星，也就更談不上今天的人類了。宇宙儘管在極大的尺度上表現出均勻和各嚮同性，但是在小一些的尺度上則存在着恆星、星係、星係團、巨洞以及星係長城。而在大尺度上能過促使物質運動的力就衹有引力了。但是均勻分佈的物質不會産生引力，因此今天所有的宇宙結構必然源自於宇宙極早期物質分佈的微小漲落，而這些漲落會在宇宙微波背景輻射（cmb）中留下痕跡。然而普通物質不可能通過其自身的漲落形成實質上的結構而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因為那時普通物質還沒有從輻射中脫耦出來。
另一方面，不與輻射耦合的暗物質，其微小的漲落在普通物質脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質脫耦之後，已經成團的暗物質就開始吸引普通物質，進而形成了我們現在觀測到的結構。因此這需要一個初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這裏需要的物質就是冷暗物質，由於它是無熱運動的非相對論性粒子因此得名。
在開始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中最後一件重要的事情。對於先前提到的小擾動（漲落），為了預言其在不同波長上的引力效應，小擾動譜必須具有特殊的形態。為此，最初的密度漲落應該是標度無關的。也就是說，如果我們把能量分佈分解成一係列不同波長的正弦波之和，那麽所有正弦波的振幅都應該是相同的。暴漲理論的成功之處就在於它提供了很好的動力學出發機製來形成這樣一個標度無關的小擾動譜（其譜指數n=1）。wmap的觀測結果證實了這一預言，其觀測到的結果為n=0.99±0.04。
但是如果我們不瞭解暗物質的性質，就不能說我們已經瞭解了宇宙。現在已經知道了兩種暗物質--中微子和黑洞。但是它們對暗物質總量的貢獻是非常微小的，暗物質中的絶大部分現在還不清楚。這裏我們將討論暗物質可能的候選者，由其導致的結構形成，以及我們如何綜合粒子探測器和天文觀測來揭示暗物質的性質。
最被看好的暗物質候選者
長久以來，最被看好的暗物質僅僅是假說中的基本粒子，它具有壽命長、溫度低、無碰撞的特性。壽命長意味着它的壽命必須與現今宇宙年齡相當，甚至更長。溫度低意味着在脫耦時它們是非相對論性粒子，衹有這樣它們才能在引力作用下迅速成團。由於成團過程發生在比哈勃視界（宇宙年齡與光速的乘積）小的範圍內，而且這一視界相對現在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物質團塊或者暗物質暈比銀河係的尺度要小得多，質量也要小得多。隨着宇宙的膨脹和哈勃視界的增大，這些最先形成的小暗物質暈會合併形成較大尺度的結構，而這些較大尺度的結構之後又會合併形成更大尺度的結構。其結果就是形成不同體積和質量的結構體係，定性上這是與觀測相一致的。相反的，對於相對論性粒子，例如中微子，在物質引力成團的時期由於其運動速度過快而無法形成我們觀測到的結構。因此中微子對暗物質質量密度的貢獻是可以忽略的。在太陽中微子實驗中對中微子質量的測量結果也支持了這一點。無碰撞指的是暗物質粒子（與暗物質和普通物質）的相互作用截面在暗物質暈中小的可以忽略不計。這些粒子僅僅依靠引力來束縛住對方，並且在暗物質暈中以一個較寬的軌道偏心律譜無阻礙的作軌道運動。
低溫無碰撞暗物質（ccdm）被看好有幾方面的原因。第一，ccdm的結構形成數值模擬結果與觀測相一致。第二，作為一個特殊的亞類，弱相互作用大質量粒子（wimp）可以很好的解釋其在宇宙中的豐度。如果粒子間相互作用很弱，那麽在宇宙最初的萬億分之一秒它們是處於熱平衡的。之後，由於湮滅它們開始脫離平衡。根據其相互作用截面估計，這些物質的能量密度大約占了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測相符。ccdm被看好的第三個原因是，在一些理論模型中預言了一些非常有吸引力的候選粒子。
其中一個候選者就是中性子（neutralino），一種超對稱模型中提出的粒子。超對稱理論是超引力和超弦理論的基礎，它要求每一個已知的費米子都要有一個伴隨的玻色子（尚未觀測到），同時每一個玻色子也要有一個伴隨的費米子。如果超對稱依然保持到今天，伴隨粒子將都具有相同的質量。但是由於在宇宙的早期超對稱出現了自發的破缺，於是今天伴隨粒子的質量也出現了變化。而且，大部分超對稱伴隨粒子是不穩定的，在超對稱出現破缺之後不久就發生了衰變。但是，有一種最輕的伴隨粒子（質量在100gev的數量級）由於其自身的對稱性避免了衰變的發生。在最簡單模型中，這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是wimp的理想候選者。如果暗物質是由中性子組成的，那麽當地球穿過太陽附近的暗物質時，地下的探測器就能探測到這些粒子。另外有一點必須註意，這一探測並不能說明暗物質主要就是由wimp構成的。現在的實驗還無法確定wimp究竟是占了暗物質的大部分還是僅僅衹占一小部分。
另一個候選者是軸子（axion），一種非常輕的中性粒子（其質量在1μev的數量級上），它在大統一理論中起了重要的作用。軸子間通過極微小的力相互作用，由此它無法處於熱平衡狀態，因此不能很好的解釋它在宇宙中的豐度。在宇宙中，軸子處於低溫玻色子凝聚狀態，現在已經建造了軸子探測器，探測工作也正在進行。
ccdm存在的問題
由於綜合了ccdm，標準模型在數學上是特殊的，儘管其中的一些參數至今還沒有被精確的測定，但是我們依然可以在不同的尺度上檢驗這一理論。現在，能觀測到的最大尺度是cmb（上千個mpc）。cmb的觀測顯示了原初的能量和物質分佈，同時觀測也顯示這一分佈幾近均勻而沒有結構。下一個尺度是星係的分佈，從幾個mpc到近1000個mpc。在這些尺度上，理論和觀測符合的很好，這也使得天文學家有信心將這一模型拓展到所有的尺度上。
然而在小一些的尺度上，從1mpc到星係的尺度（kpc），就出現了不一致。幾年前這種不一致性就顯現出來了，而且它的出現直接導致了"現行的理論是否正確"這一至關重要的問題的提出。在很大程度上，理論工作者相信，不一致性更可能是由於我們對暗物質特性假設不當所造成的，而不太可能是標準模型本身固有的問題。首先，對於大尺度結構，引力是占主導的，因此所有的計算都是基於牛頓和愛因斯坦的引力定律進行的。在小一些的尺度上，高溫高密物質的流體力學作用就必須被包括進去了。其次，在大尺度上的漲落是微小的，而且我們有精確的方法可以對此進行量化和計算。但是在星係的尺度上，普通物質和輻射間的相互作用卻極為復雜。在小尺度上的以下幾個主要問題。亞結構可能並沒有ccdm數值模擬預言的那樣普遍。暗物質暈的數量基本上和它的質量成反比，因此應該能觀測到許多的矮星係以及由小暗物質暈造成的引力透鏡效應，但是目前的觀測結果並沒有證實這一點。而且那些環繞銀河係或者其他星係的暗物質，當它們合併入星係之後會使原先較薄的星係盤變得比現在觀測到得更厚。
暗物質暈的密度分佈應該在核區出現陡增，也就是說隨着到中心距離的減小，其密度應該急劇升高，但是這與我們觀測到的許多自引力係統的中心區域明顯不符。正如在引力透鏡研究中觀測到的，星係團的核心密度就要低於由大質量暗物質暈模型計算出來的結果。普通旋渦星係其核心區域的暗物質比預期的就更少了，同樣的情況也出現在一些低表面亮度星係中。矮星係，例如銀河係的伴星係玉夫星係和天竜星係，則具有與理論形成鮮明對比的均勻密度中心。流體動力學模擬出來的星係盤其尺度和角動量都小於觀測到的結果。在許多高表面亮度星係中都呈現出旋轉的棒狀結構，如果這一結構是穩定的，就要求其核心的密度要小於預期的值。
可以想象，解决這些日益增多的問題將取决於一些復雜的但卻是普通的天體物理過程。一些常規的解釋已經被提出來用以解釋先前提到的結構缺失現象。但是，總體上看，現在的觀測證據顯示，從巨型的星係團（質量大於1015個太陽質量）到最小的矮星係（質量小於109個太陽質量）都存在着理論預言的高密度和觀測到的低密度之間的矛盾。
暗能量
暗能量是什麽，它的存在意味着什麽？科學家纔剛開始嘗試回答這些問題。暗能量對宇宙整體的作用泄漏了它的行蹤，而人們逐漸意識到，暗能量不僅對整個宇宙有影響，似乎也能操控宇宙的居民，指引恆星、星係和星係團（galaxy cluster）的演化進程。雖然以前並沒有意識到暗能量對這些結構的影響，但天文學家們幾十年來一直在研究它們的演化過程。
諷刺的是，暗能量的無處不在，反而讓人們很難意識到它的存在。暗能量與物質不同，它是均勻分佈的，不會在某個地方聚集成團。不論是在你傢的廚房，還是在星際空間，暗能量的密度都完全一樣，約為10-26千克/立方米，相當於幾個氫原子的質量。我們太陽係中所有的暗能量加起來，與一顆小行星的質量差不多，在行星的“舞蹈”中，幾乎起不了作用。衹有在巨大的空間尺度上和時間跨度上，才能體現出暗能量的影響力。
從美國天文學家埃德溫·哈勃（edwin hubble）開始，觀測天文學家就知道，除了最近的星係，所有星係都以極高的速度飛奔而去，離我們越來越遠。這個速度與距離成正比：離我們越遠的星係，退行（recession）速度就越大。傳統觀點認為，宇宙的大小是固定不變的，衹是星係正在遠離我們，但觀測結果推翻了這種觀點。實際上，不斷拉伸的是空間結構本身，星係衹是被裹挾在其中，離我們越來越遠。另一個問題隨之而來：膨脹的速率如何隨時間演化。幾十年來，科學家一直在努力回答這個問題。他們曾經推測，宇宙膨脹會越來越慢，因為星係之間的引力應該會阻礙嚮外的膨脹。(全文請見《環球科學》第3期) |
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宇宙學中，暗能量是某些人的猜想，指一種充溢空間的、具有負壓強的能量。按照相對論，這種負壓強在長距離類似於一種反引力。如今，這個猜想是解釋宇宙加速膨脹和宇宙中失落物質等問題的一個最流行的方案。
幾十年前，天文學家埃德溫·哈勃發現宇宙中的其它星係似乎都在嚮着距離我們生活的銀河係越來越遠的方向移動。但是，天體物理學家此前曾經指出，地心引力會使得宇宙的膨脹速度逐漸減緩。之後在1998年，兩個研究小組通過觀察Ia型超新星——一種罕見的恆星爆炸的現象，能夠釋放出數量巨大的，持久的光——顛覆了天體物理學家提出的理論。
通過仔細測量來自這些活動的光是怎樣嚮着可見光譜中紅色的一端變化的——類似於當火車汽笛聲離你越來越遠時，聲調也會越來越低的“多普勒效應”。他們發現在過去的數十億年中，宇宙的膨脹速度加快了。“真空”空間（有科學家認為暗能量可能就是“真空”，“真空”不空。）本身似乎也在作為一種斥力起作用。
暗能量它是一種不可見的、能推動宇宙運動的能量，宇宙中所有的恆星和行星的運動皆是由暗能量的斥力和萬有引力來推動的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因為它在宇宙的結構中約占73%，占絶對統治地位。暗能量是近年宇宙學研究的一個里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要證據有兩個。一是對遙遠的超新星所進行的大量觀測表明，宇宙在加速膨脹。按照愛因斯坦引力場方程，加速膨脹的現象推論出宇宙中存在着壓強為負的"暗能量"。另一個證據來自於近年對微波背景輻射的研究精確地測量出宇宙中物質的總密度。我們知道所有的普通物質與暗物質加起來大約衹占其1/3左右，所以仍有約2/3的短缺。這一短缺的物質稱為暗能量，其基本特徵是具有負壓，在宇宙空間中幾乎均勻分佈或完全不結團。最近WMAP數據顯示，暗能量在宇宙中占總物質的73％。值得註意的是，對於通常的能量（輻射）、重子和冷暗物質，壓強都是非負的，所以必定存在着一種未知的負壓物質主導今天的宇宙。
暗能量究竟是一種什麽樣的物質？長期以來，這些問題一直睏擾着世界各國的科學家們。丹麥哥本哈根大學的科學家們最近公佈了他們的研究成果，認為宇宙暗能量事實上很可能就是“真空”。
丹麥哥本哈根大學暗宇宙研究中心的科學家稱，通過觀測數十億光年以外爆炸的超新星，研究人員非常精確地描繪了宇宙的膨脹歷史，並據此推測出到底是何種神秘的力量在加快宇宙的膨脹。丹麥科學家稱，天文學家們早就觀測到宇宙一直都在膨脹，並且沒有任何減速的跡象。科學家過去數年間共收集到60餘顆超新星爆炸的數據，證實愛因斯坦的宇宙理論並沒有差錯，他提出的宇宙恆量可以解釋奇異的膨脹加速。此前有一種理論認為暗能量也許是現有理論存在的漏洞，但觀測結果卻顯示宇宙暗能量很可能就是“真空”。
丹麥科學家稱，從哲學的角度來講，暗物質和暗能量相繼被證實存在對人們的觀念是一次極大的衝擊和突破。當年哥白尼僅僅將宇宙的中心從地球搬到太陽，就引起了全世界的軒然大波，人們不得不重新審視自身在宇宙中所扮演的角色。天文學上的發現不斷地突破人們剛剛建構的關於宇宙中心知識體係，直到愛因斯坦提出廣義相對論後，人們纔發現宇宙根本沒有所謂的中心。暗物質和暗能量的存在同樣是以前人類無法想象的事情，但它們真的就存在於整個宇宙中，並占據了整個宇宙能量的70%左右。
暗能量的存在直到1998年纔被天文學家初步證實。但對它理論上的猜測可追溯到愛因斯坦生活的年代，愛因斯坦在1915年提出了廣義相對論，世界上的物理學家、數學家隨即開始解其中的引力方程，方程解出之後，人們結論是宇宙不會完全靜止，宇宙也沒有靜止點。方程的第一種解是，如果宇宙衹存在引力，沒有別的力作用的話，出於相互吸引，宇宙不可能靜止；另一種解是，宇宙爆炸的那一瞬間獲得了一個初速度，嚮外膨脹，但由於引力作用往回拉，宇宙肯定越脹越慢，趨嚮穩定。所以認為宇宙不是收縮就是膨脹。
要提及暗能量，我們不得不先提及另外一個和它密切相關的概念——暗物質，之所以將其稱之為暗物質而不是物質就是因為它與一般的普通物質有着根本性的區別。普通物質就是那些在一般情況下能用眼睛或藉助工具看的見、摸得着的東西，小到原子、大到宇宙星體，近到身邊的各種物體遠到宇宙深處的各種星係。普通物質總是能與光或者部分波發生相互作用或者在一定的條件下自身就能發光、或者折射光綫，從而被人們可以感知、看見、摸到或者藉助儀器可以測量得到，但是暗物質恰恰相反，它根本不與光發生作用更不會發光，因為不發光又與光不發生任何作用，所以不會反射、折射或散射光即對各種波和光它們都是百分之百的透明體！所以在天文上用光的手段絶對看不到暗物質，不管是電磁波、無綫電還是紅外射綫、伽馬射綫、X射綫這些統統都毫無用處，故爾不被人們的感知所感覺也不被目前的儀器所觀測，故此為了區分普通物質和這種特殊的物質而將這種特殊的物質稱之為“暗物質”。
“暗能量”相比較暗物質更是奇特的有過之而無不及，因為它衹有物質的作用效應而不具備物質的基本特徵，所以都稱不上物質故爾將其稱之為“暗能量”，“暗能量”雖然也不被人們所感覺也不被目前各種儀器所觀測，但是人們憑藉理性思維可以預測並感知到它的確存在。
諷刺的是，暗能量的無處不在，反而讓人們很難意識到它的存在。暗能量與物質不同，它是均勻分佈的，不會在某個地方聚集成團。不論是在你傢的廚房，還是在星際空間，暗能量的密度都完全一樣，約為10-26千克/立方米，相當於幾個氫原子的質量。我們太陽係中所有的暗能量加起來，與一顆小行星的質量差不多，在行星的“舞蹈”中，幾乎起不了作用。衹有在巨大的空間尺度上和時間跨度上，才能體現出暗能量的影響力。
宇宙內的運動都是旋渦型的，所以暗能量總是以一種旋渦運動的形式出現。所以，在暗能量的旋轉範圍內能形成一種旋渦場,我們稱之為暗能量旋渦場，簡稱為旋渦場。我們用En來表示太陽係的暗能量，用Ep來表示物質繞太陽係中心運動的總動能。當En=Ep時，太陽係旋渦場處於平衡狀態，它既不會膨脹也不會收縮。但當En衰退時，太陽係旋渦場就會收縮，太陽係中所有的行星就會嚮太陽靠近。
這究竟是什麽樣的物質為什麽會呈現這樣的特質？這會不會是一種人類尚沒有發現、更不曾知道的、全新的物質形態？有人寓言，這種新的物質形態的一經出現和被發現必將導致物理學理論的新的大突破和新的革命。
關於暗能量概念的起源，我們還得追溯到科學巨匠愛因斯坦他在1915年的相對論中提出一組引力方程式，方程式的結果都預示着宇宙是在做永恆的運動，這個結果與愛因斯坦的宇宙是靜止的觀點相違背，為了使這個結果能預示宇宙是呈靜止狀態愛因斯坦又給方程式引入了一個項，這個項就是現在人們稱之為的 “宇宙常數”。
1997年12月，作為“大紅移超新星搜索小組”的成員的哈佛大學天文學家羅伯特·基爾希納根據超新星的變化顯示，宇宙膨脹速度非但沒有在自身重力下變慢反而在一種看不見的、無人能解釋的、神秘力量的控製、推動下變快，問題是無人知道這個神秘力量是什麽？更無人知道為什麽是變快而不是變慢？這是出於什麽原因？它是如何發生的？關於這種力量及其載體至今無人能知曉，人們衹是猜測：我們現在所處的這個宇宙可能處於一種目前人類還不瞭解、還未認識到的繼目前物質的固態、液態、氣態、“場態”之後另一種物質狀態的物質控製、作用之下，這種物質不同於普通物質的一切屬性及其存在和作用機製，這種“物質”因其絶對不同於人們所熟知的普通物質態，故爾科學家為了區分它們暫且將它稱之為“暗物質”、將其具備的作用稱之為“暗能量”，“暗物質”就成為當今天文學界、宇宙學界和物理學界等等科學界中最大的謎團之一。
後來人們經過哈勃空間望遠鏡觀測發現，事實上宇宙是在不斷膨脹着的並且這一觀測結果完全與引入“宇宙常數”之前的引力方程的計算結果相符合，愛因斯坦得知“實際上的宇宙是在膨脹着的”這個消息後非常後悔，因此他認為：“引入宇宙常數是我這一生所犯的最大錯誤！”現在看來，他的結論下得過早。此後那個“宇宙常數”便被人們所遺忘，後來的一次天文探測表示那個宇宙常數不但不等於零而且趨嚮無窮大，這就預示着宇宙中存在着某種“巨大的東西”，此後這個“宇宙常數”被賦予“暗能量” 的含義。近年來的科學家們一再通過各種的觀測和計算證實，暗能量在宇宙中的確約占到73％，暗物質約占到23％，普通物質僅占到4％，這可是一個驚人的數字和消息，這將預示着我們現在看到的宇宙、認識到的宇宙衹占整個宇宙的4%的比例，而占96%(57年諾貝爾奬得主李政道先生甚至還認為是99%以上)的東西竟然是不為我們所知道的。關於暗物質和暗能量的客觀存在性57年諾貝爾奬得主李政道先生在他所著的《物理學的挑戰》中已經詳細而全面的論證了在這裏限於篇幅，我不在作論述。
在新世紀之初美國國傢研究委員會發佈一份題為《建立誇剋與宇宙的聯繫：新世紀11大科學問題》的研究報告，科學家們在報告中認為，暗物質和暗能量應該是未來幾十年天文學研究的重中之重，“暗物質”的本質問題和“暗能量”的性質問題在報告所列出的11個大問題中分列為第一、第二位。
美國航天局在軌道中運行的威爾金森微波儀探測衛星收集到的材料也證明超新星在發生同樣的變化。這些變化的含義的確令科學家忐忑不安，因為這將預示着愛因斯坦、霍金等理論傢可能都錯了，影響並决定整個宇宙的力量不是引力和重力等已知作用力，而是以“宇宙常量”形式存在的“暗能量”和“暗物質”。
所以有人認為，暗能量在宇宙中更像是一種背景和一種“超導體”，它就像是空氣相對於人類或者是大海相對於魚兒一樣，故爾在宇宙物理學上它的確表現得更像一個真空，因此也有人把“暗能量”稱之為“真空能”。真空是不是就是“暗能量”？“暗能量”是不是就是“真空能”呢？如果真空真是“暗能量”那麽就應該具備一切能量的基本屬性和基本特徵——力量。真空是否具備力的特徵和力的屬性也就成為“暗能量”是否就是“真空”的前提條件。
綜上所述我們可以看出，所有矛盾的焦點都集中在真空是否具備力的屬性這個問題上，如果真空一旦被證明具備力的屬性，那麽“真空力”就成為獨立於萬有引力、電磁力、強力和弱力之後在自然界中普遍存在着的第五種自然作用力即“第五種力”；那麽真空就是物理學史上已經被拋棄的“以太”；而“以太”其實就是真空的某一種效應；那麽真空也就是那個占整個宇宙96%以上的份額並控製着整個宇宙的神秘能量——“暗能量”，這一切的一切就因為真空有力而變為現實、變為可知的、可*縱的東西。故爾真空是否具備力的屬性也就成為本文的核心中的焦點，那麽真空是否真實或者真正具備力的屬性呢？如果具有那麽又該如何讓它表現、顯露出來呢？
衆所周知，物理學其本身就是一門以實驗為基礎的科學，從伽利略的比薩斜塔實驗到邁剋耳遜——莫雷實驗，再到目前高科技下的各種高能物理粒子實驗無不說明實驗方法在物理學中占據着非常重要的地位並發揮着重要的作用。每一個新理論的背後都必須有着堅實的實驗作為後盾，每一個新實驗現象的出現也必將引發一套全新的理論體係，所以實驗是尋找並證實真空力的屬性的主要方法和途徑。
但是如果我們不瞭解暗物質的性質，就不能說我們已經瞭解了宇宙。現在已經知道了兩種暗物質--中微子和黑洞。但是它們對暗物質總量的貢獻是非常微小的，暗物質中的絶大部分現在還不清楚。這裏我們將討論暗物質可能的候選者，由其導致的結構形成，以及我們如何綜合粒子探測器和天文觀測來揭示暗物質的性質。
最被看好的暗物質候選者
長久以來，最被看好的暗物質僅僅是假說中的基本粒子，它具有壽命長、溫度低、無碰撞的特性。溫度低意味着在脫耦時它們是非相對論性粒子，衹有這樣它們才能在引力作用下迅速成團。壽命長意味着它的年齡必須與現今宇宙年齡相當，甚至更長。由於成團過程發生在比哈勃視界（宇宙年齡與光速的乘積）小的範圍內，而且這一視界相對現在的宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物質團塊或者暗物質暈比銀河係的尺度要小得多，質量也要小得多。隨着宇宙的膨脹和哈勃視界的增大，這些最先形成的小暗物質暈會合併形成較大尺度的結構，而這些較大尺度的結構之後又會合併形成更大尺度的結構。其結果就是形成不同體積和質量的結構體係，定性上這是與觀測相一致的。相反的，對於相對論性粒子，例如中微子，在物質引力成團的時期由於其運動速度過快而無法形成我們觀測到的結構。因此中微子對暗物質質量密度的貢獻是可以忽略的。在太陽中微子實驗中對中微子質量的測量結果也支持了這一點。無碰撞指的是暗物質粒子（與暗物質和普通物質）的相互作用截面在暗物質暈中小的可以忽略不計。這些粒子僅僅依靠引力來束縛住對方，並且在暗物質暈中以一個較寬的軌道偏心律譜無阻礙的作軌道運動。
低溫無碰撞暗物質（CCDM）被看好有幾方面的原因。第一，CCDM的結構形成數值模擬結果與觀測相一致。第二，作為一個特殊的亞類，弱相互作用大質量粒子（WIMP）可以很好的解釋其在宇宙中的豐度。如果粒子間相互作用很弱，那麽在宇宙最初的萬億分之一秒它們是處於熱平衡的。之後，由於湮滅它們開始脫離平衡。根據其相互作用截面估計，這些物質的能量密度大約占了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測相符。CCDM被看好的第三個原因是，在一些理論模型中預言了一些非常有吸引力的候選粒子。
其中一個候選者就是中性子（neutralino），一種超對稱模型中提出的粒子。超對稱理論是超引力和超弦理論的基礎，它要求每一個已知的費米子都要有一個伴隨的玻色子（尚未觀測到），同時每一個玻色子也要有一個伴隨的費米子。如果超對稱依然保持到今天，伴隨粒子將都具有相同的質量。但是由於在宇宙的早期超對稱出現了自發的破缺，於是今天伴隨粒子的質量也出現了變化。而且，大部分超對稱伴隨粒子是不穩定的，在超對稱出現破缺之後不久就發生了衰變。但是，有一種最輕的伴隨粒子（質量在100GeV的數量級）由於其自身的對稱性避免了衰變的發生。在最簡單模型中，這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候選者。如果暗物質是由中性子組成的，那麽當地球穿過太陽附近的暗物質時，地下的探測器就能探測到這些粒子。另外有一點必須註意，這一探測並不能說明暗物質主要就是由WIMP構成的。現在的實驗還無法確定WIMP究竟是占了暗物質的大部分還是僅僅衹占一小部分。
另一個候選者是軸子（axion），一種非常輕的中性粒子（其質量在1μeV的數量級上），它在大統一理論中起了重要的作用。軸子間通過極微小的力相互作用，由此它無法處於熱平衡狀態，因此不能很好的解釋它在宇宙中的豐度。在宇宙中，軸子處於低溫玻色子凝聚狀態，現在已經建造了軸子探測器，探測工作也正在進行。
CCDM存在的問題
由於綜合了CCDM，標準模型在數學上是特殊的，儘管其中的一些參數至今還沒有被精確的測定，但是我們依然可以在不同的尺度上檢驗這一理論。現在，能觀測到的最大尺度是CMB（上千個Mpc）。CMB的觀測顯示了原初的能量和物質分佈，同時觀測也顯示這一分佈幾近均勻而沒有結構。下一個尺度是星係的分佈，從幾個Mpc到近1000個Mpc。在這些尺度上，理論和觀測符合的很好，這也使得天文學家有信心將這一模型拓展到所有的尺度上。
然而在小一些的尺度上，從1Mpc到星係的尺度（Kpc），就出現了不一致。幾年前這種不一致性就顯現出來了，而且它的出現直接導致了"現行的理論是否正確"這一至關重要的問題的提出。在很大程度上，理論工作者相信，不一致性更可能是由於我們對暗物質特性假設不當所造成的，而不太可能是標準模型本身固有的問題。首先，對於大尺度結構，引力是占主導的，因此所有的計算都是基於牛頓和愛因斯坦的引力定律進行的。在小一些的尺度上，高溫高密物質的流體力學作用就必須被包括進去了。其次，在大尺度上的漲落是微小的，而且我們有精確的方法可以對此進行量化和計算。但是在星係的尺度上，普通物質和輻射間的相互作用卻極為復雜。在小尺度上的以下幾個主要問題。亞結構可能並沒有CCDM數值模擬預言的那樣普遍。暗物質暈的數量基本上和它的質量成反比，因此應該能觀測到許多的矮星係以及由小暗物質暈造成的引力透鏡效應，但是目前的觀測結果並沒有證實這一點。而且那些環繞銀河係或者其他星係的暗物質，當它們合併入星係之後會使原先較薄的星係盤變得比現在觀測到得更厚。
暗物質暈的密度分佈應該在核區出現陡增，也就是說隨着到中心距離的減小，其密度應該急劇升高，但是這與我們觀測到的許多自引力係統的中心區域明顯不符。正如在引力透鏡研究中觀測到的，星係團的核心密度就要低於由大質量暗物質暈模型計算出來的結果。普通旋渦星係其核心區域的暗物質比預期的就更少了，同樣的情況也出現在一些低表面亮度星係中。矮星係，例如銀河係的伴星係玉夫星係和天竜星係，則具有與理論形成鮮明對比的均勻密度中心。流體動力學模擬出來的星係盤其尺度和角動量都小於觀測到的結果。在許多高表面亮度星係中都呈現出旋轉的棒狀結構，如果這一結構是穩定的，就要求其核心的密度要小於預期的值。
可以想象，解决這些日益增多的問題將取决於一些復雜的但卻是普通的天體物理過程。一些常規的解釋已經被提出來用以解釋先前提到的結構缺失現象。但是，總體上看，現在的觀測證據顯示，從巨型的星係團（質量大於1015個太陽質量）到最小的矮星係（質量小於109個太陽質量）都存在着理論預言的高密度和觀測到的低密度之間的矛盾。
暗能量
暗能量是什麽，它的存在意味着什麽？科學家纔剛開始嘗試回答這些問題。暗能量對宇宙整體的作用泄漏了它的行蹤，而人們逐漸意識到，暗能量不僅對整個宇宙有影響，似乎也能操控宇宙的居民，指引恆星、星係和星係團（galaxy cluster）的演化進程。雖然以前並沒有意識到暗能量對這些結構的影響，但天文學家們幾十年來一直在研究它們。 |
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