你知道吗，你看到的天上的星星，银河，数不清的类似银河的星系，其实只占整个宇宙能量的很少一部分。精确地说，只占4%左右，96%是无论用肉眼还是用望远镜等寻常手段看不到的能量。

其中，所谓暗能量占了占了74%左右。暗能量是一种均匀地充满宇宙的能量，目前，观测它的方式都是间接的。剩下的部分叫暗物质，我们这次不介绍它。

（图片说明：宇宙能量组分，74%暗能量，22%是暗物质，4%是是物质）

那么，宇宙学家是如何发现暗能量的呢？

这需要先回顾一下我们宇宙的历史和整体图像。

首先，我们的宇宙过去和现在一直在膨胀。这是所谓大爆炸学说给我们的图像。虽然我们不可能回到过去亲眼看到宇宙是如何大爆炸的，但很多观测证据支持这个学说。例如，很多遥远的天体正在远离我们，大爆炸学说的其他一些推论也被观测证明了。

（图片说明： 宇宙在膨胀， 原来靠近的星系互相远离，就像一只膨胀的气球上的斑点之间的距离会越来越大一样。）

要确定宇宙具体是怎么膨胀的，最直接的方式就是测量天体之间的距离是怎样随时间变化的，这就像测量一个吹大的气球上的两个点的距离一样，将距离随时间的变化得到了，气球是怎么变大的也就明确了。

但是，我们不能真的去用尺子量天体之间的距离，因为宇宙是这么庞大，一般的星系之间的距离是这么遥远，谁也没有那么长的尺子。

宇宙学家用的办法是找出宇宙中的“路灯”，这些“路灯”就像大街上的灯一样，亮度一样。我们根据路灯在我们眼里的亮度就可以算出它的距离，距离越远，看到的亮度就越暗。将看到的亮度和真实的亮度比较，就能算出路灯的距离了。但是，宇宙中并不存在亮度完全一样的天体。接近标准亮度的天体是一种叫做IA型超新星的天体。这些天体亮度非常大，以至于即使它们距离我们有上百亿光年，我们都能用大型望远镜看到它们。

通过测量超新星的亮度，我们可以估计出它们的离我们有多远。另外，通过测量它们的光谱，我们还可以计算出它们相对我们退行的速度，这样，我们就可以总结出宇宙膨胀的规律。

1998年前，科学家一直以为宇宙是做减速膨胀，也就是说，过去的膨胀速度比现在的膨胀速度大。这种减速膨胀理论与万有引力理论一致。牛顿的万有引力告诉我们，世间所有物体之间存在引力。到了宇宙尺度上，也只有万有引力才能主导天体之间的运行，包括宇宙膨胀。理解宇宙为什么减速膨胀很简单。设想我们向上抛一只苹果，苹果开始的时候以一定速度上升，由于地球的引力作用，上升的速度越来越慢，最后甚至开始下落。同理，天体之间的万有引力作用使得它们之间分开的速度越来越慢，这就是减速膨胀。到了一定时刻，天体之间的距离反而会变得越来越小，这就意味着宇宙开始收缩了，这很像苹果开始下落。

（图片说明：万有引力使得苹果下落，也就是被地球吸引，同样，万有引力也会使得宇宙的膨胀速度越来越小）

宇宙减速膨胀主导宇宙学家们的视野几十年。直到1998年，情况才突然变化了，这就是令人吃惊的宇宙加速膨胀的发现。

在几个月中，这个爆炸消息传遍整个科学界，但没有多少人相信，因为万有引力这个概念实在太深入人心了。

美国的两组宇宙学家正是通过测量一些IA型超新星得出宇宙在做加速膨胀这个结论的，他们发现一些超新星的亮度以及退行速度之间的关系与做减速膨胀的宇宙完全不同。两个小组的领导人分别是Adam Riess和Saul Perlmutter。

宇宙加速膨胀是一件非常离谱的事情，就像我们抛起苹果，这个苹果在空中不但不减速最后落地，反而以越来越大的速度远离我们而去。谁看到这种现象都会目瞪口呆。

可是，在现代物理学中，我们却能很好的解释这种现象。爱因斯坦在1917年用他的最具想象力的物理理论——广义相对论——来研究整个宇宙的时候发现，如果只有万有引力，他的理论和牛顿的万有引力理论一样，只允许一个动态的宇宙，也就是说宇宙不是减速膨胀就是加速收缩，这是引力的性质决定的。那个时代，宇宙学的研究少得可怜，更没有什么大爆炸宇宙学说，爱因斯坦自然地和其他人一样，认为宇宙是静态的（就像我们夜晚仰望天空，没有看到星星离我们而去，第二天晚上再看，恒星基本还在原来的位置，因为比较近的天体确实没有远离我们而去）。所以，他必须引入一种新的斥力来平衡物质和天体之间的引力。很巧合，在他的著名方程中，可以加上一个很自然的项，这一项产生斥力，而且这个斥力与物质无关，即使宇宙是空的，斥力也存在。这就是著名的爱因斯坦宇宙学常数。

当然，要取得引力和斥力之间的平衡，宇宙中的物质密度不能任意，这一点，估计爱因斯坦也不会满意的。后来，哈勃发现了宇宙在膨胀，爱因斯坦自然就放弃了他的斥力假说。我们可以想象，假如物质不够多，引力小于斥力，宇宙就会加速膨胀。当然苹果不会离我们加速而去——这是因为地球的局部引力远远大于宇宙中的平均引力，但遥远的天体会离我们加速而去。

在爱因斯坦之后，很少有人会严肃对待宇宙是加速膨胀的这种可能，直到1998年，80年后，Riess和Perlmutter等人的发现。

除了著名的宇宙学常数，人们将所有可能导致宇宙加速膨胀的能量叫做暗能量。

那么，为什么在暗能量这个词汇中出现了“能量”？ 宇宙学常数是一种能量吗？回答是：是的，宇宙学常数是一种能量。

在现代物理学中，我们知道，真空不空。在真空中，永远有一些基本粒子突然出现和突然消失，只是突然出现和消失之间几乎没有时间间隔，我们感受不到。这些突然出现和消失的粒子，会带来能量，这些能量通常不可抽取出来以资利用，所以我们也感觉不到。

但是，万有引力既然是万有的，真空能量也会产生力。奇怪的是，真空能与寻常的物质能量不同，产生的是斥力。所以，我们可以将爱因斯坦宇宙学常数解释为真空能，它们产生的斥力完全一样，难以区分，所以物理学上就是同一回事。

（图片说明：真空中不断有粒子产生和湮灭）

但是，物理学家还不知道如何精确地计算真空能。所以，真空能到现在还是一个谜。甚至，我们也不能肯定它到底是不是一个常数，也就是说，宇宙在很久以前的真空能和现在的真空能一样大吗？还是过去的大一些，现在的小一些？还是恰好相反，过去的小一些，现在的大一些？

既然我们不知道真空能到底是怎么一回事，我们就习惯将所有可能的真空能叫做暗能量。之所以是暗的，因为真空能无法用通常的力学手段、光学手段或者不论什么样的手段加以利用，也就是说，它除了对宇宙提供无所不在的斥力，几乎没有其他任何功能。

（图片说明：暗能量以斥力的方式影响宇宙演化，这张图演示了物质如何在暗能量分的影响下演化的，其中每个几乎看不见的点代表一个星系（即类似银河系的恒星集合）。最左边的盒子是很多星系在宇宙只有9亿年的时候的样子，中间是32亿年时的样子，右边是137亿年也就是现在的样子。）

暗能量的起源一定具有我们现在难以预见的奇妙图景。暗能量本身的特点就令人惊奇的了。例如，尽管宇宙在不断膨胀，但暗能量的每单位体积中的能量似乎不随时间减少，这似乎违背能量守恒原理（我们的常识是，当一个气体膨胀时，气体的密度会越来越小的）。但在抽象的、难以用日常语言解释的层次上，能量守恒原理并没有被破坏。

我个人倾向于一种非常特别的观点，即暗能量的密度是随时间变化的，而且在宇宙大爆炸的时候，暗能量密度高于现在的密度，后来慢慢变小，直到基本不变。但未来如何？我不能肯定。这是我的全息暗能量模型给我的图像。

（图片说明：宇宙是全息的，也就是说，宇宙中的一只苹果，任何东西，都可以用边界上的一些在二维空间运动的粒子来解释。如果是这样，那么暗能量也该是全息的，这种暗能量模型叫做全息暗能量。）

暗能量到底会怎么变化？理论家说了不算，还需要宇宙学家制造很大的望远镜和其他设备来观察。下面就是欧美在未来十年到二十年中的一些大型计划。

（图片说明：大型全局性望远镜，这是一台8.4米地面望远镜，计划在10年代末建成，将安装在智利的一座能见度极好的山上。其科学目标之一是探测暗能量。）

（图片说明：联合暗能量使命，这是美国计划中空间天文望远镜，1.5米，将在2020之前被送往空间，专门观测暗能量）

暗能量研究不仅涉及到宇宙的终极未来，也涉及到物理学的根基，将是物理学和宇宙学未来数十年中的基本问题之一。

（《人与自然》专栏，勿转）