暗能量撕裂宇宙？

作者撰文／黎斯（ Adam G. Riess ）、利維歐（ Mario Livio ） 翻譯／李沃龍 | 科學人雜誌 – 2016 年 5 月 4 日

什麼是暗能量？

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」，真空裡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」的模型裡，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。