暗能量如何加速宇宙？

接受我们所知道的——或者认为我们知道的——而不进行过于批判性的检查，这太容易了。但是，当涉及到我们宇宙现实的巨大奥秘时，这种仔细的、批判性的检查正是帮助我们真正、深刻地理解其中的是什么所需要的。乍一看，膨胀的宇宙似乎是一件容易接受的事情：某种快速的初始膨胀始于我们的宇宙，而其中所有物质和能量的引力效应使事物重新组合在一起。如果万有引力赢了，我们将以大紧缩告终;如果扩张赢了，我们将以大冻结告终。
只是，当我们足够详细地检查我们的宇宙时，我们发现不仅膨胀会获胜，而且遥远的物体实际上在远离我们时正在加速。不知何故，随着时间的推移，它们越来越快地离开。我们如何理解这一点？这就是Patreon支持者Bob Schier想知道的，他问道：
“暗能量如何产生越来越大的加速度......远离自己？这是一种“负重力”，其中物质排斥物质的方式类似于电荷相互排斥的方式？还是拉伸了"时空结构"或仅仅是空间结构？
有很多方法可以概念化膨胀的宇宙和暗能量，但“排斥”不是其中之一。让我们从头开始：宇宙膨胀的概念。

这个简化的动画显示了光的红移以及未绑定物体之间的距离如何随时间变化。请注意，这些物体的起点比光在它们之间传播所需的时间更近，由于空间膨胀，光红移，两个星系之间的距离比它们之间交换的光子所走的光行路径要远得多。
学分：罗伯·诺普
当爱因斯坦第一次提出他的新引力理论来取代牛顿的引力理论，即他的广义相对论时，这是一种观察宇宙的激进方式。人们不再把空间和时间看作独立的、绝对的实体——空间是静态的、三维的网格，时间只是一条不可阻挡的、向前移动的线——而是在20世纪初，三大进步齐头并进。
首先，狭义相对论在1905年出现了一个概念：空间和时间都不是绝对的，但它们只是相对于观察者的经验。每当两个观察者处于不同的位置或在空间中进行不同的运动时，他们体验的空间和时间就不同。
其次，有一种将空间和时间“编织”在一起的方法：爱因斯坦的前老师赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）在1908年发现了这种方法。这种结构，时空，将单独取代独立的空间和时间概念。
第三，有一种观点认为，引力也可以包含在时空图片中，物质和能量弯曲了时空的结构，弯曲的时空告诉物质和能量如何移动。

动画观察时空在质量穿过时空时如何反应，有助于准确地展示它如何，在质量上，它不仅仅是一张织物，而是整个空间本身，它因宇宙中物质和能量的存在和属性而弯曲。请注意，只有当我们不仅包括大质量物体的位置，而且包括质量在整个时间中的位置时，才能描述时空。瞬时位置和该物体所在位置的过去历史决定了物体在宇宙中移动所经历的力，这使得广义相对论的微分方程集比牛顿的更复杂。
学分：卢卡斯VB
但问题是：如果物质和能量弯曲了时空的结构，那么这意味着结构不会是静态的，而是会随着时间的推移而变化。我们大多数人认为曲率有三种可能性，你可以像球体一样正弯曲，或者你可以负弯曲，比如品客芯片或马鞍，或者你可以有零曲率，像一张纸一样平坦。这三个例子都是正确的：曲率可能意味着这三件事中的任何一个。
但曲率也可能完全导致其他事情：膨胀或收缩。
爱因斯坦在广义相对论背景下的第一个思想实验之一是想象如果你有一个宇宙——即时空——它均匀地充满了他认为的尘埃：大质量粒子，均匀分布，相对于彼此和时空背景处于静止状态。当你计算广义相对论背景下发生的事情时，你会发现空间曲线的方式是，这些尘埃粒子都越来越近，它们之间的距离越来越小，直到它们都在一个点相遇。似乎不可避免的是，你得到的是卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）在广义相对论以最终形式提出几个月后得出的解决方案：黑洞。

如果你从一个有界的、静止的质量配置开始，并且不存在非引力或效应（或者与引力相比它们都可以忽略不计），那么质量总是不可避免地会坍缩成黑洞。这是静态的、非膨胀的宇宙与爱因斯坦的广义相对论不一致的主要原因之一。
学分：E. Siegel/Beyond the Galaxy
爱因斯坦走得更远，并意识到物质分布的程度并不重要，几何学也不重要。无论物质分布在球体、立方体、金字塔、土豆状结构或任何几何形状中，都无关紧要：仍然会坍缩成黑洞。
但这不仅仅是因为时空以这样的方式弯曲，导致物质在空间中移动并加速成一个点;尽管这种解释很直观，但它并没有准确地描述正在发生的事情。
相反，正在发生的事情是，时空以这样的方式弯曲，即织物本身实际上向内“流动”到自身中，因此整个结构 - 或者至少，这个空间区域内的结构 - 收缩。就好像有一个看不见的、全向的“移动走道”将这些粒子拖向内。即使空间是绝对无限的，到处都是这种尘埃，整个时空结构也会被拉向内，仿佛在收缩。如果这种情况确实囊括了整个宇宙，它将以一个奇点结束：一个所有时空都达到任意无限密度的“点”。如果这种情况只适用于宇宙的有限区域，你会得到一个黑洞，在这个黑洞中，这个“移动人行道”的类比不仅继续吸引物质，而且将时空吸引到其中。

在史瓦西黑洞的事件视界内外，空间像移动人行道或瀑布一样流动，这取决于你想如何想象它。在事件视界，即使你以光速奔跑（或游泳），也无法克服时空的流动，时空将你拖入中心的奇点。然而，在事件视界之外，其他力（如电磁）可以经常克服重力的拉力，甚至导致下落的物质逃逸。
学分：安德鲁·汉密尔顿/JILA/科罗拉多大学
直到广义相对论的早期，爱因斯坦才意识到这种病理学：我们生活在一个充满物质的宇宙中。但是，如果你的宇宙充满了物质，它就不会保持静止和稳定;时空结构将自行向内坍塌，导致短期内出现大紧缩场景。因此，在爱因斯坦后来吹捧为他的“最大错误”的举动中，爱因斯坦意识到另一种形式的能量必须“阻止宇宙抵抗引力坍缩”，因此他引入了我们今天所知的宇宙常数或暗能量：他能想到的唯一方法来平衡这种不可避免的引力坍缩。
这就引出了一个大问题：“暗能量”究竟是如何做到的？它如何防止宇宙坍缩？它如何抵抗物质和其他形式的能量的引力？而且，毕竟，如果暗能量只是能量的另一种形式，它是否也会导致宇宙引力，导致引力坍缩？
为了回答这个问题，我们必须获得定量。

2017年，伊桑·西格尔（Ethan Siegel）在美国天文学会超级墙上的照片，右边是第一个弗里德曼方程。第一个弗里德曼方程详细介绍了左侧哈勃膨胀率的平方，它控制着时空的演化。右侧包括所有不同形式的物质和能量，以及空间曲率（最后一项），它决定了宇宙在未来如何演变。这被称为所有宇宙学中最重要的方程，由弗里德曼在1922年以现代形式推导出来。
图片来源：Harley Thronson（照片）和Perimeter Institute（构图）
你看到的，上面，有时被称为第一个弗里德曼方程：我自己经常称之为宇宙中最重要的方程。在你能想象到的任何宇宙中，那就是：
受爱因斯坦广义相对论的支配，
这是各向同性的（即在所有方向上都相同），
这是同质的（即在所有位置都相同），
爱因斯坦的场方程可以精确地求解，给你一系列方程。其中之一就是这个方程，它的力量在于，它将左手边宇宙尺度的变化与右手边的物质、能量和曲率（以及宇宙常数，如果你包括它）联系起来。
处理这个方程的最简单方法是假设没有曲率和宇宙常数，并想象你有一个宇宙，其中只充满了一种物质或能量。你会得到一个更简单的方程：一个简单地说宇宙尺度的变化（由左侧的H给出，技术上是“尺度变化”的平方，因为它是H²）到某种形式的能量密度（由右侧的ρ给出，因为我们正在设置曲率， k，以及宇宙常数Λ为零），我们甚至不必担心ρ前面的那些常数。
然后，我想让我们想象在这个想象的宇宙中可能存在三种能量的可能性：物质、辐射和“暗能量”。

这张图显示了，如果你的宇宙被物质、辐射或空间本身固有的能量所支配（即在暴胀或暗能量占主导地位期间），时空如何以相等的时间增量演化/膨胀，后者对应于暴胀阶段之前和建立热大爆炸。尽管所有这些模型宇宙都朝着无限大小扩展，但它们以不同的速度接近它，“空间本身”解决方案从根本上比其他两个更快地接近无穷大。
学分：E. Siegel/Beyond the Galaxy
将要发生的是，“尺度平方的变化”（H²）将与能量密度（ρ）的变化成比例地变化。让我们一一分解它们。
对于物质来说，密度只是质量与体积的关系。因为粒子有固定的质量和固定的数量，所以密度的变化与体积成反比：宇宙“尺度”的两倍，你的密度变成最初密度的 1/8;将宇宙的“尺度”减半，你的密度就会增加8倍。因此，“尺度变化”只是其中的平方根。
对于辐射，这些量子是无质量的，所以密度只是能量比体积。虽然量子（比如光子）的数量是固定的，但每个量子的能量由其波长定义，一个波的“长度”取决于宇宙的规模。因此，如果你将宇宙的规模增加一倍或一半，不仅体积会发生变化，而且每量子的能量也会分别减半或翻倍。如果你把宇宙的规模扩大一倍，密度就会变成最初密度的1/16;如果将比例减半，则密度将增加 16 倍。再一次，“尺度变化”是它的平方根。
但对于暗能量来说，这表现为空间本身固有的一种能量形式：它的能量密度总是恒定的。无论您是否更改体积，密度项ρ都保持不变。如果你将宇宙的尺度减半或两倍，“尺度变化”只是常数的平方根：它不会改变。

物质（上图）、辐射（中图）和暗能量（下图）在膨胀的宇宙中都随着时间的推移而演变。随着宇宙的膨胀，物质密度会变薄，但辐射也会变得更冷，因为它的波长被拉伸到更长、能量更低的状态。另一方面，如果暗能量的行为像目前认为的那样：作为空间本身固有的一种能量形式，那么它的密度将真正保持不变。
学分：E. Siegel/Beyond The Galaxy
因为我们处理的不是关于“尺度变化”的方程，而是告诉我们一些关于“尺度变化，平方”的方程，这里有一个重要的警告：“尺度变化”本身的值可以是正的，也可以是负的，无论哪种方式，我们都会得到相同的答案。如果“尺度变化”是积极的，宇宙就会膨胀;如果“尺度变化”是负的，宇宙就会收缩。
爱因斯坦最初的（也是有缺陷的）推理告诉他的是，“嘿，如果你的宇宙从静止开始，既不膨胀也不收缩，那么如果你把物质撒进去，它必须开始收缩。因此，如果我们不希望它收缩，我们可以添加另一种行为不同的能量形式（如暗能量或宇宙常数），然后观察宇宙膨胀。如果我们把物质和其他形式的能量调整得恰到好处，它们就会平衡，我们就会得到一个静态的宇宙！”
但从观测上看，正如1920年代首次证实的那样，从那以后，宇宙实际上正在膨胀，并且包含所有这三个物种：物质，辐射和暗能量。

视膨胀率（y轴）与距离（x轴）的图与过去膨胀较快的宇宙一致，但遥远的星系今天在衰退中加速。这是哈勃原作的现代版本，比哈勃的原作延伸了数千倍。请注意，这些点不形成直线，表示膨胀率随时间的变化。宇宙遵循它所遵循的曲线这一事实表明暗能量的存在和后期统治。
学分：Ned Wright/Betoule et al. （2014）
那么，如果我们想知道宇宙是如何膨胀的，膨胀是如何加速的，我们所要做的就是求解同样的控制方程，第一个弗里德曼方程，对于一个具有所有三种能量的宇宙，并选择正的、膨胀的解。
这实际上是一项相当简单的任务！事实证明，膨胀率本身——我们定义为“尺度变化”参数或H——实际上总是随着时间的推移而降低。这个值不是加速的东西，而是减少的东西：早期迅速，当宇宙被辐射主导时，然后稍慢一点，当宇宙被物质主导时，然后最终，当暗能量接管时，进一步减速并接近一个有限的、正的、非零的值。
我们说扩张加速的原因不是因为扩张速度H随着时间的推移而增加;不是。原因是因为我们观察到的东西是宇宙中的星系，我们可以看到这些星系从我们身边退去。如果我们观察这些星系随着时间的推移而消退，那么我们会发现：
当宇宙被辐射主导时，这些星系的视衰退速度会降低，
当宇宙被物质主宰时，它们的表观衰退速度会降低，但速度会更慢，
当宇宙被暗能量主导时，它们的明显衰退速度会增加。
而是星系似乎远离我们的速度正在加速，而不是宇宙本身的膨胀速度。

宇宙的尺度（y轴）与宇宙的年龄（x轴）在对数尺度上。根据需要标记一些大小和时间里程碑。辐射和物质支配之间的过渡是微妙的;向暗能量统治的转变很容易看到。
学分：E. 西格尔
重要的是要认识到暗能量不是某种类型的“负能量”或“排斥引力”，尽管肯定有人试图以这种方式解释它。相反，它只是一种能量形式，就像任何其他能量形式一样，它是宇宙膨胀和其中所有不同形式能量之和之间巨大宇宙平衡的一部分。最大的区别是，虽然物质和辐射的能量密度都随着宇宙的膨胀而下降，但暗能量的能量密度却没有：它保持不变，而“缺乏下降”是为什么被卷入我们宇宙膨胀的单个星系随着时间的推移越来越快地远离我们。
然而，与此同时，重要的是要记住，我们并不是100%确定暗能量真的表现得好像它的能量密度是恒定的：就像一个真正的宇宙常数。随着时间的推移，暗能量的密度或强度可能会略有增加或减少。美国宇航局下一个即将到来的旗舰任务南希罗马太空望远镜的部分原因是进行关键测量，以有史以来最高的精度告诉我们暗能量的真实行为。毕竟，宇宙的最终命运取决于它！