暗能量 （标准模型中提供负压强的宇宙内容物）

定义

暗能量是组成宇宙的成分之一。在标准宇宙学模型中，宇宙由三个部分组成：物质、辐射和暗能量。所谓物质是其能量密度与尺度因子的负三方成正比（即

A: CPL 模型

B: Jassal 模型

C: Barboza & Alcaniz 模型

D: Wetterich 模型

宇宙学常数

对暗能量最简单的解释是它是一种固有的、基本的空间能量。这就是宇宙常数，通常用希腊字母Λ（Lambda，因此是Lambda-CDM 模型）表示。根据质能方程

一个主要的突出问题是，同样的量子场论预测了一个巨大的宇宙学常数，大约大了 120 个数量级。这几乎（但不完全）需要被相反符号的同样大的项抵消。即所谓“精细调节问题”。

一些超对称理论需要一个恰好为零的宇宙学常数。即所谓“一致性问题”。此外，尚不清楚弦理论中是否存在具有正宇宙学常数的亚稳态真空态，Ulf Danielsson等人计算了这一点。结果显示不存在这样的状态。这一猜想不排除其他暗能量模型，例如精质模型，它们可能与弦理论兼容。

精质Quintessence

由于“精细调节问题”和“一致性问题”导致了宇宙学常数模型是不自然的，因此人们又开始用动力学场来构造暗能量模型。要解释加速膨胀，标量场是实现这一要求的最简单的动力学模型，这种模型也称为精质（Quintessence）模型。在精质模型中，观察到的尺度因子的加速是由动力场的势能引起的，称为精质场。在标量场的框架下构造不同的势能函数，目前势能函数一般是通过唯象的方式来构造，如基于粒子物理标准模型中的各种标量场和超弦理论中的各种标量场。Quintessence 不同于宇宙常数，因为它可以随空间和时间变化。为了使其不像物质那样结块和形成结构，场必须非常轻以使其具有较大的康普顿波长。在最简单的场景中，quintessence 场有一个典型的动力学项，与引力的耦合最小，并且在其拉格朗日量中不具有高阶操作。

目前还没有精质场的证据，但也没有排除它的可能性。它通常预测宇宙膨胀的加速比宇宙常数略慢。一些科学家认为，精质的最佳证据来自对爱因斯坦等效原理的破坏以及空间或时间中基本常数的变化。标量场是由粒子物理和弦理论的标准模型预测的，但是会出现与宇宙常数问题（或构建宇宙暴胀模型的问题）类似的问题：重整化理论预测标量场应该获得大质量。

“一致性问题”问的是为什么宇宙的加速会在它开始的时候开始。如果加速在宇宙中开始得更早，像星系这样的结构就永远不会有时间形成，而生命，至少就我们所知，永远不会有机会存在。人择原理的支持者认为这是对他们论点的支持。然而，精质（Quintessence）的许多模型都有所谓的“跟踪器”行为，它解决了这个问题。在这些模型中，精质场的密度密切紧随（但小于）辐射密度，直到物质-辐射相等，这会触发精质开始表现为暗能量形式，最终主宰宇宙。这自然会降低暗能量的能量量级。

2004年，当科学家将暗能量的演化与宇宙学数据进行拟合时，他们发现状态方程可能已经从上到下越过了宇宙常数边界（

精质（Quintessence）模型的一些特殊情况是幽灵能量（phantom energy），其中 精质（Quintessence）的能量密度实际上随时间增加，以及 k-essence（kinetic quintessence 的缩写）具有非标准形式的动能，例如负动能。它们可能具有不寻常的特性：幽灵能量 ，例如，会导致大撕裂。

一组研究人员在 2021 年的讨论中认为，对哈勃张力的观测可能意味着只有具有非零耦合常数的精质模型才是可行的。

相互作用的暗能量

这类理论试图提出一个包罗万象的理论，将暗物质和暗能量作为一种单一现象，在不同尺度上修改引力定律。例如，这可以将暗能量和暗物质视为同一未知物质的不同方面，或假设冷暗物质衰变为暗能量。另一类统一暗物质和暗能量的理论被认为是修正引力的协变理论。这些理论认为，暗能量和暗物质的存在改变了时空的动力学。原则上，暗能量不仅可以与暗物质区的其余部分相互作用，还可以与普通物质相互作用。然而，单靠宇宙学不足以有效约束暗能量与重子耦合的强度，因此必须辅助于其他间接技术或实验室搜索。最近的一项提议推测，目前在意大利XENON1T探测器中观察到的无法解释的过量可能是由暗能量的变色龙模型引起的。 但是2022 年 7 月，XENONnT 的一项新分析并不支持这个结论。

可变暗能量模型

在宇宙的历史中，暗能量的密度可能会随时间变化。现代观测数据使我们能够估计暗能量的当前密度。使用重子声学振荡，可以研究暗能量在宇宙历史中的作用，并限制暗能量状态方程的参数的变化范围。为此，已经提出了几种模型。Chevallier–Polarski–Linder 模型 （CPL） 是最受欢迎的模型之一。一些其他常见模型是，（Barboza & Alcaniz。2008），（Jassal 等人。2005），（Wetterich。2004 ），（Oztas 等人。2018） 。

观察怀疑论

暗能量的一些替代方法，例如非均匀宇宙学，旨在通过更精细地使用已建立的理论来解释观测数据。在这种情况下，暗能量实际上并不存在，只是一种测量效果。例如，如果我们位于比平均空间更空旷的区域，观察到的宇宙膨胀率可能会被误认为是时间变化或加速度引起的。另一种不同的方法是使用等效原理在宇宙学上的推广以显示空间如何在局域星团周围的空隙中看起来更快地膨胀。虽然微弱，但考虑到经过数十亿年的累积，这种影响可能会变得很重要，从而产生宇宙加速的错觉，并使我们看起来好像生活在哈勃气泡中。还有其他可能性是，宇宙的加速膨胀是我们相对于宇宙其他部分的相对运动造成的幻觉，或者所采用的统计方法是有缺陷的。在实验室直接测量的尝试中未能检测到任何与暗能量相关的力。

对暗能量的观察怀疑主义解释通常没有在宇宙学家中获得太多关注。例如，一篇暗示局部宇宙的各向异性被误传为暗能量的论文很快被另一篇声称原始论文有误的论文反驳。另一项研究质疑 Ia 型超新星的光度不随恒星年龄变化的基本假设也被其他宇宙学家迅速反驳。

作为黑洞的广义相对论效应

这一理论是由夏威夷大学Mānoa的研究人员于2023年2月提出的。这个想法是，如果人们要求克尔度规（描述旋转黑洞的度规）渐近线于弗里德曼-罗伯逊-沃克度规，那么人们就会发现，随着宇宙的膨胀，黑洞的质量会增加。速率的测量值为

其他机制驱动加速度

修正引力理论

暗能量存在的证据在很大程度上取决于广义相对论。因此，可以想象对广义相对论的修正也正好可以消除了理论上对暗能量的需要。有很多这样的理论，并且研究还在进行中。第一个通过非引力手段测量的引力波的引力速度 （ GW170817 ） 排除了许多这种解释暗能量的修正的引力理论。

天体物理学家Ethan Siegel指出，虽然这些替代方案获得了大量主流媒体报道，但几乎所有专业天体物理学家都相信暗能量的存在，并且没有任何可以与之相提并论理论成功地解释观察到与标准暗能量相同的精度水平。

宇宙未来

我们当然关心宇宙的命运，即宇宙在

宇宙学家估计加速大约从 50 亿年前开始。对于不同的暗能量模型，对未来的预测可能截然不同。对于宇宙学常数，或任何其他预测加速将无限期持续的模型，最终结果将是本星系群外的星系的视线速度将随时间不断增加，最终远远超过本星系群的速度光。这并不违反狭义相对论，因为这里使用的“速度”概念不同于局部惯性参考系中的速度，后者仍然被限制为小于任何大质量物体的光速）。因为哈勃参数随着时间的推移而减小，实际上可能存在这样的情况，即一个比光速更快地远离我们的星系确实能够发出最终到达我们的信号。

然而，由于加速膨胀，可以推断大多数星系最终将跨越某个宇宙事件视界，在这种情况下，它们发出的任何光超过该点时，在无限的未来任何时候都无法到达我们，因为光永远不会达到朝向我们的“本动速度”超过远离我们的膨胀速度的点）。假设暗能量是恒定的（宇宙学常数），当前到这个宇宙学事件视界的距离约为 160 亿光年，这意味着当前发生的事件发出的信号如果该事件距离我们不到 160 亿光年，则最终能够在未来到达我们，但如果该事件距离我们超过 160 亿光年，则信号将永远无法到达我们。

当星系接近穿越这个宇宙事件视界的点时，来自它们的光将变得越来越红移，以至于波长变得太大而无法在实践中检测到，星系似乎完全消失。地球、银河系和银河系所在的本星系群，在宇宙的其余部分从视野中退去并消失时，几乎都不会受到干扰。在这种情况下，本星系群最终将达到热寂，就像在测量宇宙加速度之前假设的平坦的、由物质主导的宇宙一样。

关于宇宙的未来还有其他更具推测性的想法。暗能量的幽灵能量模型会导致发散膨胀，这意味着暗能量的有效力会继续增长，直到它支配宇宙中的所有其他力。在这种情况下，暗能量最终将撕裂所有受引力束缚的结构，包括星系和太阳系，并最终克服电力和核力撕裂原子本身，以“大撕裂”结束宇宙”。另一方面，暗能量可能会随着时间消散，甚至变得有引力。这种不确定性留下了引力最终占上风的可能性，并导致宇宙在“大收缩”中自我收缩或者甚至可能存在暗能量循环，这意味着宇宙的循环模型，其中每次迭代（大爆炸然后最终是大收缩）大约需要一万亿（10^-12 ）年。虽然这些都不是得到观察结果的支持，也不排除它们。

"黑暗物理学"的光明前途

如前所述，我们对暗能量的存在性还刚刚开始认识，对暗能量的了解仍然少得可怜；我们对暗物质虽然稍有认识，但对其中的绝大多数——非重子暗物质——的了解仍然非常肤浅。这说明我们对宇宙中绝大多数内容物还很不了解。人们有一种感觉：随着研究的不断深入，我们似乎对宇宙的了解竟然愈来愈少。是的，物理学正在受到以暗能量为代表的严重疑难（包括宇宙学常数问题）的挑战，有人甚至认为21世纪之初的暗能量疑难类似于20世纪之初的黑体辐射疑难。然而，出人意料的实验结果往往是科学进步的重要动力。正如黑体辐射疑难的解决需要引入全新的观念（量子力学）和放弃旧观念那样，许多人相信暗能量的挑战终将导致基本物理学（天文学）的突破进展。鉴于天文观测对宇宙论研究的异乎寻常的重要性，天文学家已经制定了雄心勃勃的进一步的观测计划。另一方面，理论物理学家和天体物理学家正在对暗能量进行着不断深入和广泛的理论攻坚战。有理由相信，在观测天文学家和理论物理学家的联手猛攻下，暗能量之谜总有一天会云开雾散，水落石出，与之相伴的很有可能还有基本物理学的某种突破性进展。恐怕可以说：“黑暗物理学的前途是光明的。”