宇宙95%的奧秘：暗能量之謎

『坦白說，這是個令人尷尬的結果』：我們對宇宙95%的部分幾乎仍一無所知。

『到目前為止，還沒有人能理解是什麼導致了這種奇怪的現象，解釋暗能量仍然是現代科學最艱鉅的挑戰之一。』 在《物質：壯麗的幻覺》（政體出版社，2025年，愛德華·威廉姆斯翻譯）的這段節選中，作者兼物理學家圭多·託內利深入探討了暗能量的發現，以及多次試圖解釋這一似乎正推動宇宙不斷加速膨脹的奇怪現象的嘗試。

暗能量的發現讓包括研究人員在內的所有人都著實吃了一驚。1998年，當這一發現出現時，第一批面對如此驚人資料的天文學家簡直不敢相信自己的眼睛。然而，結果確鑿無疑。宇宙膨脹的速度並非恆定不變；相反，在相當長一段時間裡，它一直在顯著加快。一切都以越來越快的節奏彼此遠離。

科學家們所看到的與他們的預期相悖；宇宙加速膨脹的觀點有悖直覺。每個人都曾預期，引力的吸引力會慢慢降低時空的膨脹速度，然而事實卻恰恰相反。

多年來，不同的科學家團隊試圖弄清楚資料所指向的情況是真實的，還是在測量中出現了誤差。最終，他們還是屈服於證據。毫無疑問，一種全新的自然現象正在被觀測到，無論它多麼出人意料。最終，就連斯德哥爾摩的瑞典皇家科學院也認可了索爾·珀爾馬特、布萊恩·施密特和亞當·里斯這三位進行早期研究的天文學家的工作的重要性，將2011年的諾貝爾獎授予他們，以表彰他們的這一發現 。

從一開始，為了解釋這種奇怪的現象，『暗能量』這個詞就被創造出來，這表明人們對產生它的機制完全一無所知：這是一種完全未知的能量形式，似乎在把一切都彼此推開，而且隨著宇宙規模的增長而增強。

有些人設想這是一種反重力，即重力一種極其奇怪的行為，從我們所知的吸引力，在遠距離上變成了排斥力。其他人則設想這是一種真空能量，一種正能量，它產生一種負壓，從而推動一切向外擴張。

認為虛空包含正能量並使其膨脹的想法可以追溯到很多年前。阿爾伯特·愛因斯坦是第一個提出這一想法的人。為了使宇宙保持靜態，也就是為了抵消重力的影響（如果只有重力作用，遲早會使一切坍縮成一個點），愛因斯坦在他的方程中人為地加入了一個正的常數，即所謂的『宇宙常數』。這種設定起到了平衡作用；使宇宙膨脹抵消了重力的影響，使其變得穩定。

後來，當人們發現一切都有一個動盪的開端，而且星系仍在彼此遠離時，愛因斯坦後悔了這個選擇，甚至稱這是他一生中最嚴重的錯誤之一。事實上，對於一個起源於超密和超熾熱奇點的宇宙來說，並不需要這種額外的膨脹動力來達到平衡狀態。奇怪的是，沒有人，尤其是愛因斯坦，能預測到在20世紀末，珀爾馬特、施密特和里斯的發現會讓他的宇宙常數再度流行起來。所以，看起來大自然總會證明愛因斯坦是對的，即使這位偉大的科學家堅信自己顯然錯了。

在這種情況下，透過分析宇宙背景輻射中最微小的不均勻性，以及星系和星團產生的引力透鏡效應，也可以提取有關暗能量的存在和分佈的寶貴資訊。令人驚奇的是，仍然是光讓我們得以一窺宇宙的這個神秘面。

暗能量在宇宙中的分佈非常均勻。它的行為與物質，無論是普通物質還是暗物質，都截然不同。後兩者這些物質實體有著網狀分佈，高密度的節點和絲狀結構與廣闊的空洞交替出現。相反，暗能量均勻地分佈在整個空間中，似乎怡然自得地佔據著宇宙的整個體積，對一切都施加著一種排斥力。

為了理解這種神秘能量形式的起源，科學家們已經確定，在給定的一段時間內，宇宙所有不同區域的膨脹速度是否相同。他們還意識到，這種現象在過去數十億年裡才開始佔據主導地位。在很長一段時間裡，宇宙以與現在截然不同的節奏膨脹。

『要麼花80億美元，要麼放棄』：從海盜到『愚蠢的錯誤』——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡差點無法發射的瘋狂故事；『我們的宇宙學模型可能有缺陷』：新研究表明宇宙膨脹速度太快，物理學無法解釋；『這可能意義深遠』：天文學家溫迪·弗裡德曼如何試圖修復宇宙。

各種假設都經過了檢驗，包括我們正在處理一種新的基本力、重力的異常行為，甚至是時空結構中存在非常特殊的結構，類似於其規則模式中的缺陷。但到目前為止，還沒有人能理解是什麼導致了這種奇怪的現象，解釋暗能量仍然是現代科學最艱鉅的挑戰之一。

雖然圍繞其起源的謎團依然存在，但對暗能量對宇宙幾何形狀以及物質密度空間波動的影響所進行的精確測量，使人們能夠量化這種成分在宇宙物質組成中的比重。

結果令人震驚；暗能量約佔總質量的68%。宇宙大約三分之二是由這種最神秘的成分構成的。把暗能量的佔比加起來，我們得到了一個令人尷尬的結果。儘管當代科學取得了巨大進步，但我們不得不承認，我們對周圍95%的事物一無所知。

我們周圍的一切——構成岩石、行星、花朵、恆星，甚至我們自身的物質——都有非常獨特的屬性。這些在我們看來很平常的屬性，實際上非常特殊，因為宇宙的演化始於近140億年前，如今是一個非常寒冷的環境。

在這本書中，圭多·託內利解釋了構成物質的基本粒子如何組合成奇異的形狀，形成相關的量子態、夸克和膠子的原始湯，或巨大的中子星。最新研究中出現的新問題也得到了解答：在什麼意義上真空是一種物質狀態？為什麼時空也能振動和振盪？是否存在時空的基本顆粒？物質在大型黑洞內部會呈現什麼形態？

託內利用清晰生動的筆觸，帶領讀者踏上一段激動人心的當代科學最新發現之旅，讓他們以全新的視角看待宇宙和自身。《物質：壯麗的幻覺》