為什麼暗能量會使宇宙空間加速膨脹？

物質和能量告訴時空如何彎曲；彎曲的時空告訴物質和能量如何移動。這是廣義相對論的基本規則，它適用於宇宙中的一切，包括整個宇宙本身。在20世紀90年代末，我們從宇宙中遙遠的星系收集了足夠的數據，推斷出這些星系不僅在遠離我們，而且它們的退行速度正在增加。這意味著宇宙空間結構不僅在膨脹，而且膨脹正在加速。

唯一的合理解釋是，宇宙中的質能一定比我們之前了解的更多。在膨脹的宇宙中，物質和能量不僅決定空間曲率，還決定空間膨脹速率是如何隨著時間變化的。我們在20年前就知道宇宙的組成部分是正常物質、暗物質、中微子和輻射。宇宙可以很好地伴隨這些而膨脹，但是遙遠的星系膨脹應該只會減慢。觀察到空間加速膨脹意味著宇宙中還存在別的東西，而且它們不僅存在，還佔主導地位。

廣義相對論表明，空間結構本身正向彎曲還是反向彎曲取決於物質。像地球這樣的行星或者像太陽這樣的恆星會導致空間結構彎曲，而更密集、質量更大的天體會導致空間彎曲得更厲害。

另一方面，如果宇宙中有很多物質均勻分布，那麼所有的時空都會感受到一種總體引力效應。如果宇宙沒有膨脹，引力會使宇宙萬物坍縮成一個奇點。但事情是宇宙並沒有坍縮，這意味著某種東西阻止了這種坍縮。要麼是某物抵消了引力，要麼是宇宙在膨脹。

這就是宇宙大爆炸理論的最初來源。由於宇宙中的物質均勻分布，那麼，宇宙萬物產生的引力會試圖把一切拉到一起。既然宇宙還沒有再次坍縮或正在坍縮，那就只剩下兩種選擇：引力理論是錯誤的，或者宇宙在膨脹。

考慮到廣義相對論已經通過了各種嚴苛的測試，所以很難斷言它是錯誤的。特別是因為有了一個充滿物質和輻射的宇宙，所需要的只是一個初始膨脹，就能擁有一個現在的宇宙，現代宇宙特徵為：正在膨脹、正在冷卻、密度變小、充滿紅移的光、過去熾熱且緻密，這些都是宇宙大爆炸理論最好的證據。

宇宙膨脹迅速開始，而引力作用又將物體拉回一起。那麼，宇宙隨著時間推移如何演化的三種可能：

（1）引力勝：宇宙開始迅速膨脹，但是最終足夠的引力把一切拉回在一起。膨脹達到一個最大值，停止了，然後反過來又開始重新坍縮。

（2）引力和膨脹打平：初始膨脹和引力相互抵消。宇宙中再多一個質子，它就會重新坍縮，但並沒有。相反，膨脹速率逐漸接近於零，而遙遠的星系後退會越來越慢。

（3）膨脹勝：快速膨脹被不充足的引力阻礙。隨著時間推移，星系繼續遠離彼此，雖然引力減慢了膨脹，但它永遠不會停止。

但我們實際上觀察到的是第四個。在最初的幾十億年里，宇宙似乎處於「臨界」路徑上，然後突然間，遙遠的星系遠離另一個星系開始加速後退。從理論上講，這裡存在一個令人信服的理由。

有一個非常簡單的方程決定著宇宙是如何膨脹的——弗里德曼方程。儘管它看起來很複雜，但方程中的術語具有現實世界的意義，很容易理解。

弗里德曼方程

方程左邊表示宇宙膨脹速率（平方）的量，也就是俗稱的哈勃常數。哈勃常數並不是真正的常數，它會隨宇宙膨脹或收縮發生改變，它告訴我們宇宙結構是如何膨脹或收縮的。

方程右邊表示所有的物質，輻射，以及構成宇宙的任何其他形式的能量。還有空間本身固有的曲率，這取決於宇宙是封閉的（正向彎曲的），開放的（反向彎曲的），或者平坦的（不彎曲的）。方程中還有一個宇宙常數Λ，它可以是能量的一種形式，也可以是空間的內在屬性。

這兩邊必須相等。我們認為宇宙的膨脹會減慢，是因為隨著宇宙的膨脹，能量密度（右邊）下降，因此空間的膨脹速率必須下降。但是如果有宇宙常數或者其他形式的暗能量，能量密度可能不會下降。它可以保持恆定，甚至增加，這也意味著膨脹速率將保持不變或增加。

不管怎樣，這都意味著一個遙遠的星系在遠離銀河系的時候會加速，這被歸因於暗能量。暗能量並不是一種向外推的壓力或對抗引力的力量，而是因為它們的能量密度隨空間膨脹的變化方式（這種方式就是不會隨空間膨脹而改變）使宇宙加速膨脹。

隨著宇宙膨脹，更多的空間被創造出來。由於暗能量是空間固有的一種能量形式，所以當空間膨脹時，暗能量的密度不會下降，這與正常物質、暗物質、中微子、輻射以及我們所知道的其他任何東西都有本質的不同。因此，暗能量以一種與所有其他類型的物質和能量不同的方式影響宇宙的膨脹速率。

簡單地說，一種新的能量形式可以以一種新的方式影響宇宙的膨脹速率。這完全取決於能量密度隨時間的變化。當物質和輻射隨著宇宙膨脹而變得不那麼緻密時，空間仍然在所有地方仍有相同的能量密度。那麼，為什麼暗能量會有這樣的特殊性質呢？這仍然是宇宙中最大的謎團。

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