什么是暗能量？

  所谓的暗能量就是宇宙中存在一种使河外星系之间的加速远离的空间机制。能够是河外星系在视向加速远离的科学解释有两个：其中之一就使宇宙能够加速膨胀的暗能量；第二个原因就是万有引力。许多人，是所有人都认为:万有引力会是宇宙收缩，星系之间会相互靠近。但这是一种想当然，错的太离谱了，在局部的宇宙空间可能会如此，即使是上帝站在宇宙质量中心观测也不会得到这样的观测结果。

  你见过在地心引力场中云层下两颗雨滴之间在下落时会越来越近吗？答案是否定的。 如果你是一只被龙卷风带到云层上的一只蚂蚁，在搭乘一颗雨滴降落地面的途中，这只蚂蚁会看到在它上面的雨滴在加速飘向云端，在它下面的雨滴也离它越来越远。 蚂蚁可能会想，如果地球是水晶做的它就会看到地球另一面的雨滴会离它越来越近。

  没错这是一只懂得万有引力定律和自由落体运动规律的三维空间的蚂蚁，它会观测到它所在半球的雨滴都在加速远离，而另个半球的雨滴都在加速靠近。只有在它附近相同等势面上的雨滴之间的雨滴之间的距离是不变的。也就是说三维空间的蚂蚁观测到雨滴有50%以上的蓝移，和不足50%红移，还有极少部分是谱线特征点不动的雨滴。

   而另一只懂得爱因斯坦广义相对论的蚂蚁却在思考，空间弯曲到什么程度时，就看不到另外半球的蓝移的雨滴了呢？它最终找到了答案：当它所在位置空间的光线弯曲半径ρ小于它距地心的距离d时，即ρ＜d，它就再也看不到水晶球那一侧蓝移的雨滴了，它发现原来那些透过水晶球迎面而来的雨滴，已经移了头顶的天空中，越飞越高，越飞越远。

  暗能量被物理学界正式接纳为科学概念始于２０１１年10月４日，请看当日的新华社快讯：诺贝尔物理学奖于北京时间2011年10月4日揭晓，美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔•波尔马特、美国/澳大利亚物理学家布莱恩•施密特以及美国科学家亚当•里斯获得2011年诺贝尔物理学奖。

  瑞典皇家科学院授予这三人奖项的原因是他们“通过观测遥远超新星发现宇宙的加速膨胀”。 [1] 　　宇宙膨胀的概念据说来自于著名的美国天文学家哈勃，哈勃太空天文望远镜就是以他的名字命名的。宇宙膨胀并不是哈勃的观测结果，而是哈勃对河外星系之间相互退行现象的推论，事实上河外星系之间相互退行也是观测结果的推论，真正的观测结果是发现河外星系所发出的光线的谱线特征点普遍存在红移现象。

   20世纪初，斯里弗对旋涡星云光谱作过多年研究，发现谱线红移现象。在斯里弗观测的基础上，哈勃与助手赫马森合作，对遥远星系的距离与红移进行了大量测量工作，发现远方星系的谱线均有红移，而且距离越远的星系，红移越大，于是得出重要的结论：星系看起来都在远离我们而去，且距离越远，远离的速度越高。

  1929年他通过对已测得距离的20多个星系的统计分析，更进一步发现星系退行的速率与星系距离的比值是一常数。两者间存在着线性关系。这一关系后被称为哈勃定律。这一结论意义深远，因为一直以来，天文学家都认为宇宙是静止的。若认为红移是星系视向运动的多普勒效应造成的，则红移-距离关系表明，距离越远的星系正以越来越快的速度远离我们。

  运用广义相对论，人们通常把哈勃定律解释为宇宙膨胀的必然结果。哈勃定律的发现有力地推动了现代宇宙学的发展。[3] 这一发现直接导致俄裔美国天体物理学家伽莫夫的“宇宙大爆炸理论”，他认为，我们的宇宙诞生于约137±2亿年的一次大爆炸，星系天体的退行原因正是这次宇宙大爆炸的冲力导致的。

  从此之后天体物理学界一直都认为宇宙是在以一个恒定的速度膨胀，直到这三位科学家于1998向外公布：宇宙的膨胀速度不是恒定的更不是越来越慢而是不断加速即越来越快。这可是一个石破惊天的发现，这个结果的出现直接撼动整个天体、物理学界，根据牛顿万有引力定律，宇宙大爆炸所产生的冲力在引力的作用下和牵制下，星系天体的退行速度应该渐于趋缓直至稳定平衡，可是这三位科学家的发现却与牛顿万有引力定律相互矛盾，如何解决、诠释这二者之间的矛盾呢？物理学家们认为只有一种可能，那就是宇宙之中存在着一种与引力作用方向相反（反引力作用力）、至今人类还没有发现的神秘力量！物理学界把这种与引力作用方向相反、至今人类还未知的、神秘作用力称之为“暗能量”，并且认为，正是这种“暗能量”推动星系天体快速膨胀退行。

  [1] 正文 一。点对称有限空间宇宙模型 如果宇宙空间是有限的且对称，那么最简单的就是点对称有限空间，能够维系点对称空间的最主要的是空间中心点具有极其巨大的质量，极其巨大到底有多大？具有宇宙总质量的50%应该是最为保守的估计。围绕宇宙中心点的物质和星系的质量和不应大于50%，似乎也不应小于50%，否则的话，宇宙空间会很快塌陷。

  但具体应该是多少，应该目前还没有相关的理论公式或观测结果，在本文中暂不作继续深入讨论，这里简单的提及只是为了便于理解我们宇宙中心点质量巨大的宏观程度。 下面设定假设条件 假设条件： 1。宇宙空间是有限的，且是中心点对称的 2。宇宙中心是一个质量巨大的点； 3。

  围绕宇宙中心点的星系和物质（能量）是均匀分布； 4。星系相对宇宙中心做自由落体运动； 5。星系向宇宙中心加速聚集。 二。点对称有限空间宇宙模型中星系之间的运动规律分析 1。经典力学空间条件下的星系的运动• 经典力学空间的概念是假设空间是平直的，光线在经过引力场时是沿直线飞行的，在引力场中适用牛顿力学定律，因此在经典力学空间中所有星系的运动规律都将遵从由万有引力定律和牛顿第二定律推导得出的自由落体运动规律。

   1。1经典力学空间条件下的星系之间的运动规律 在经典力学空间条件下该空间模型中所有的星系都遵从牛顿力学定律，每一座星系都遵循自由落体运动规律，因此有着相同的运动规律。但对于地球上的一个观测者来说，被观测的星系所处的位置不同，星系之间的运动规律不同，下面就几个不同的典型运动规律进行分析： 1）当被观测星系位于宇宙中心同侧的且位于观测者所在的星系与宇宙中心连线上时 2）当观测者所在的星系位于宇宙中心同侧的且位于被观测星系与宇宙中心连线上时 同样得到与上面相同的运动规律 3）当位于宇宙中心位于观测者所在的星系与被观测星系之间的连线上时 可以推导得出 对上面三种不同位置的星系进行观测的所得到星系之间距离的变化关系进行归纳、分析可以得出以下规律： （1）当被观测星系和观测者位于宇宙中心同一侧时，观测者所在的星系与被观测星系之间的距离加速变大。

   （2）当被观测星系和观测者位于宇宙中心不同侧时，观测者所在的星系与被观测星系之间的距离加速变小。 也就是说，在经典力学条件下对宇宙中心引力场中做自由落体运动的星系进行观测时，会发现有不大于50%的星系的光谱谱线特征点出现红移；还有不小于50%的星系的光谱谱线特征点出现蓝移。

   假设地球是个水晶球，北极上空的云层下（气候变暖导致）随雨滴一起坠落的蚂蚁会看到北半球的雨滴都离它越来越远，而透过水晶球看到的南半球的雨滴离它越来越近。 2。广义相对论空间条件下的星系的运动• 广义相对论理论认为引力场就是时空的弯曲。爱因斯坦认为物体在引力场中做自由落体运动时是不受引力作用的，仅仅是物体在弯曲的时空中沿最短时空线穿行，在三维空间的运动轨迹只不过是四维时空测地线的投影。

  点对称有限空间宇宙去除时间维度其本身就是一个最简四维空间，如果算上时间的维度，该宇宙本身的时空维度应该是五维的。不论是在四维空间还是五维时空，不论是星系在宇宙中心引力场的引力作用下产生加速运动，还是星系在五维时空中沿测地线做自由落体的穿行，星系在点对称宇宙空间中向宇宙中心加速聚集的假设条件是不变的。

   广义相对论空间另一个特性是光线在引力场内传播发生弯曲，光线向引力中心方向发生偏折，下面我们就根据这一特性，从视觉效果上来分析空间如何从经典力学空间逐渐过渡到广义相对论空间的，根据将观测者所处空间位置的光线弯曲曲率半径的值划分成不同范围来分别观测星系之间在广义相对论空间条件下的运动规律。

   2。1广义相对论空间条件下的星系之间的运动规律 为便于分析弯曲空间对星系间运动观测结果的影响，我们按照空间弯曲程度将观测者所处空间位置光线弯曲曲率半径ρ分为一下几种情况进行讨论： 1）观测者所处空间位置光线弯曲曲率半径ρ为无穷大， 此时光线沿直线传播，宇宙空间就是平直的，因此观测结果就是上一节《1。

  1经典力学空间条件下的星系之间的运动规律》中已经讨论过的经典力学空间下的观测结果： 宇宙中有不大于50%的星系的光谱谱线特征点出现红移；还有不小于50%的星系的光谱谱线特征点出现蓝移。 2）观测者所处空间位置光线弯曲曲率半径ρ大于观测者到宇宙中心的距离d，ρ＞d 此时光线向宇宙中心方向发生偏折，位于与观测者相对的宇宙中心另一侧且距宇宙中心的距离大于d的部分星系的光线从观测者这一侧的等势面之外进入；为便于更形象的理解这一点，假设地球是个水晶球，地心就是宇宙中心，假设观测者位于北极点观测，原来位于赤道以南的星空中的一些星系现在却在赤道以北的星空中。

   此时，宇宙中有大于50%的星系的光谱谱线特征点出现红移。 3）观测者所处空间位置光线弯曲曲率半径ρ等于观测者到宇宙中心的距离d，ρ=d 此时垂直于观测者至宇宙中心连线方向的光线将在等势面内传播，在北极点的观测者水平向前照射的手电筒的光会经过南极照在自己的后背上，此时水晶球的球形表面在观测者眼中成为平面；南极点此时变成了该平面上环绕着观测者的半径等于2πd的一个圆环，位原于水晶球表面的星系，在该圆环所包围的平面内依次出现两次；原来需要透过水晶球才能看到的位于地表之外、地平线之下的南半球的星系，已经位于地平线之上了。

   此时，除观测者所在同一等势面的星系外，可观测到垂直上下方向的星系的光谱谱线特征点均发生了红移。 4）观测者所处空间位置光线弯曲曲率半径ρ小于观测者到宇宙中心的距离d，ρ＜d 宇宙中心引力场使观测者所在的宇宙中的位置的光线弯曲曲率半径小于观测者距宇宙中心的距离时，所有的具有谱线特征蓝移性质的光线将会全部折返向宇宙中心；此时观测者发现各个方向的星系都是退行的。

   亦即当ρ＜d时，此时平面翘曲了，空间翻转了，原来的水晶球变成了水晶壳，原来水晶球的的外表面变成了水晶壳的内表面，原来的观测者脚下的南极点此时却在头顶的天空的正上方，任意方向上的星系都相互远离了，经典引力空间中的水晶球中心变成了广义相对论时空中宇宙边缘上的任意一点。

   此时，对宇宙中不同等势面之间的星系光线谱线特征点进行观测会得到普遍红移的观测结果。 三。点对称有限空间宇宙的主要特征 宇宙中心有一个巨大的中心质量源，所有星系都以自由落体运动规律向宇宙中心加速聚集。这是有限空间宇宙最主要的特征，这一特征是通过以下可以观测的特征来证实的 1。

  不在同一等势面上的星系之间相互加速退行； 这是宇宙中心引力场对星系的引力作用产生的结果，处于不同的等势面中星系所受到的引力加速度不同所产生的速度差。 与哈勃定律近似，星系之间的宇宙中心引力场引力势差越大，相互退行的速度越大。哈勃定律只是这一规律的近似表达。

  因为退行速度的大小是由星系之间的势差决定的，势差越大星系之间的距离也越大，星系之间的退行速度也就越大；但是反过来说星系之间的距离越大星系之间的引力势差越大是不完全成立的，所以哈勃定律说星系之间的距离越大退行速度越快是不准确的。 哈勃定律 哈勃定律( Hubble's law )：Vf = Hc x D 其中： Vf：Velocity ( Far Away ) 远离速率 单位：km / s Hc：Hubble's Constant 哈勃常数 单位：km / (s•Mpc) D：Distance 相对地球的距离 单位：Mpc百万秒差距 2。

  越靠近宇宙中心位置的星系退行的速度越快； 星系之间的退行速度不仅仅与星系之间的相互距离有关，还与被观测星系所处的位置有关，这是由于宇宙空间质量分布不均匀，质量主要集中在宇宙中心，对两颗同样的观测距离星系进行观测：靠近宇宙中心的位置得到的哈勃常数的值比远离宇宙中心位置的大。

  这也是因为星系之间的宇宙中心引力场引力势差越大，相互退行的速度越大。 实际上这是上一个特征的推论。你想一想是不是可以通过观测超新星的红移量计算出宇宙空间中哈勃常数的最大值的空间位置，来找到你宇宙中的大致位置呢？ 3。哈勃常数是一个时间变量； 观察者在不同的时刻观测同一方向上同样距离的星系所得到的哈勃常数不同，哈勃常数随着时间的增加变大，这是因为随着时间的增加观测者距离宇宙中心的距离越近，引力场的引力势增大，星系之间的宇宙中心引力场引力势差越大，相互退行的速度越大。

   这实际上是上两个特征的推论。 4。宇宙中心的位置就在宇宙边缘； 点对称有限空间的中心点就是该有限空间的边缘。 这是由点对称四维空间的性质决定的，点对称有限空间可以用三维空间模型来表达，给其中最容易被大家所理解的就是方尖碑三维模型表达方式，在这里简单地介绍最简四维空间一下方尖碑模型： 在三维空间中，让我们把地球表面立满巨大的等高的方尖碑，为了防止有些特别认真的读者会发现地球表面无法用方尖碑填满，会留下一些三角形的空隙，允许在个别的地方用等高的三角形方尖碑来填充。

   假设这些等高的方尖碑由水晶做成的，底面和地球表面连成一体，地球也是水晶做的，里面镶嵌宇宙中的所有星系，方尖碑高耸入云，直抵太空。 在四维空间中，方尖碑的每一个尖都是在同一个点上，相邻的方尖碑所相对的面在真实的四维宇宙空间中是重合在一起的同一个面，就像世界地图东西半球之间的两条边线在真实的地球上是同一条线一样。

   许多微观的基本粒子也是这样的空间结构。 请大家脑补这样一个画面：假设宇宙中心就在方尖碑的尖上，此时在方尖碑的尖上点亮一颗明亮的蜡烛会是什么样子？ 四。预言 记得霍金说过关于什么样的理论才是科学理论的观点，下面摘录《时间简史》第一章中霍金观点。

  原文如下： 为了谈论宇宙的性质和讨论诸如它是否存在开端或终结的问题,你必须清楚什么是科学理论。我将采用头脑简单的观点,即理论只不过是宇宙或它的受限制的一部分的模型,一些联结这模型和我们所观察的量的规则。它只存在于我们的头脑中,（不管在任何意义上）不再具有任何其他的实在性。

  如果它满足以下两个要求,就算是好的理论：它必须在只包含一些任意元素的一个模型的基础上,准确地描述大批的观测,并对未来观测的结果作出确定的预言。例如,亚里士多德关于任何东西是由四元素,土、空气、火和水组成的理论是足够简单的了,但它没有做出任何确定的预言。

  另一方面,牛顿的引力理论是基于甚至更为简单的模型,在此模型中两物体之间的相互吸引力和它们称之为质量的量成正比,并和它们之间的距离的平方成反比。然而,它以很高的精确性预言了太阳、月亮和行星的运动。 在它只是假设的意义上来讲,任何物理理论总是临时性的：你永远不可能将它证明。

  不管多少回实验的结果和某一理论相一致,你永远不可能断定下一次结果不会和它矛盾。另一方面,哪怕你只要找到一个和理论预言不一致的观测事实,即可证伪之。正如科学哲学家卡尔•波帕所强调的,一个好的理论的特征是,它能给出许多原则上可以被观测所否定或证伪的预言。

  每回观察到与这预言相符的新的实验,则这理论就幸存,并且增加了我们对它的可信度；然而若有一个新的观测与之不符,则我们只得抛弃或修正这理论。至少被认为这迟早总会发生的,问题在于人们有无才干去实现这样的观测。” 本文中提出的不是理论，仅仅是一个简单的宇宙空间结构模型。

  这个模型只是用来证明引力场可以使星系之间加速远离；只要引力场存在，实际上还有许多空间结构模型同样可以证明星系之间相互加速远离规律的存在。比如均质平直无限空间宇宙模型，只要轻微的偏差被引入其中，引力就会发生作用，随着引力使物质相互聚集星云，星云聚集成形体，星体聚集成星系，星系不断形成，星系聚集成星团，引力场的不断增强，本星系以外的星系之间加速远离也是平直无限宇宙空间中的星系之间运动的普遍规律。

  平直无限宇宙空间的星系之间还有着自己独特运行规律，在此不再冗述。 按照霍金的观点，点对称有限空间模型并不是一个好的模型。虽然它已经有了一个可以被证实的预言，比如说上一章节中的特征1就已经被2011年获得诺贝尔物理奖的三位科学家美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔•波尔马特、美国/澳大利亚物理学家布莱恩•施密特以及美国科学家亚当•里斯在1998年所证实，这三位科学家通过观测超新星发现的是星系之间加速退行的证据而不是宇宙膨胀的证据。

   除此之外还有以下预言需要通过观测所证实： 预言1 宇宙并不膨胀 宇宙中心存在一个巨大的质量源，所有的星系都在向宇宙中心点聚集。 预言2 宇宙中没有暗能量 宇宙中星系之间相互加速远离是引力作用的结果，更准确的说是星系在广义相对论空间遵从广义相对论引力场方程的结果。

   预言3 宇宙各向不同质，宇宙空间并不平直。 在点对称有限空间中宇宙的质量主要集中于宇宙中心点的特性决定了宇宙各向并不同质，越接近宇宙中心的位置哈勃常数的值越大。 预言4 宇宙背景温度会逐渐增高。 3k宇宙微波背景辐射作为大爆炸理论的第一个证据，它被认为是宇宙大爆炸后的余温，是宇宙膨胀后的逐渐冷却后的结果，也就是说宇宙背景的温度会随着宇宙年龄的增加还会越来越低，如果真是如此，那么如果今后观测到的宇宙背景辐射的温度就会越来越低则证明宇宙大爆炸理论预言的正确。

   立此存照：宇宙背景温度会逐渐增高。 点对称有限空间宇宙模型认为宇宙微波背景辐射就是来自宇宙中心点的霍金辐射，辐射的波长随宇宙年龄增长逐渐变短。其原因在于点对称有限空间的特性决定了宇宙中心就是宇宙边缘，因此天穹深处2。726K宇宙微波背景辐射就是来自宇宙中心,且温度会逐渐增高，这是因为地球随银河系一起向宇宙中心坠落的过程是逐渐加速的过程，随着时间的增加，相对宇宙中心的速度也就觉来越来越快，根据多普勒效应，来自宇宙中心的辐射波长就越来越短。

  事实上是来自宇宙中心的黑体辐射发生了蓝移而不是宇宙中心的温度真的升高了。 预言5 基本粒子是点对称有限空间。 上述这些预言都是建立在宇宙标准模型（宇宙大爆炸理论）理论基础之上的，与宇宙大爆炸理论没有任何冲突。 结束语 其实，该模型的第一个预言是在哈勃太空望远镜刚刚发射不久后的1996年，它预言了哈勃太空望远镜将会发现河外星系之间加速远离，1998年已经等到证实，虽然得出的结论背道而驰，这已经是后话了。

   2013年底盖亚卫星的发射，给该模型带来了新的期待，期待盖亚能够逐渐积累更多的河外星系的观测数据，通过对足够数量的河外星系的位置、距离、视向速度的分布规律分析得到哈勃常数符合引力定律规律的预言，期待从盖亚的数据分析得出如下结果：宇宙空间各项不平直、质量分布不均匀，宇宙存在一个巨大的质量中心。

   用又一个预言作为结束语吧，随着盖亚的巡天数据的陆续公开，会有越远越多的河外星系的数据混杂在其中，请从事天文观测的科学家们和善于数据分析的学者们抓紧时间去沙里淘金吧，这将是今后几年中天文学最为火热的研究课题。 从地心说到日心说，从哈勃红移到宇宙加速膨胀，从暗物质到宇宙中心模型，追寻真理的道路如此坎坷曲折，但真理却如此简单！ 参考文献 [1] ——摘自百度百科《2011诺贝尔物理奖》 [3] ——摘自百度百科《哈勃》。

  20世纪初，当阿尔伯特•爱因斯坦、威利姆•德锡特、亚历山大•弗里德曼 和乔治-亨利•勒梅特等科学家正在研究宇宙的本质时，爱因斯坦为了寻找宇 宙扩张和引力吸引之间的平衡点，在他所提出的公式中引入了一个数学概念，这 个概念被称为“宇宙常数”，它看上去代表了一种由宇宙自身发散的且无法被观 测到的能量。

当埃德文•哈勃和其他天文学家证明了宇宙正在向外扩张这一情况以后， “宇宙常数”这一概念看上去已经失去了存在的意义。直到几十年以后，这一概 念才又一次被科学家们认真地研究。20世纪90年代，一系列的发现表明，“宇宙 常数”所代表的“暗能量”是确实存在的。

  目前的测算结果表明，在宇宙中，暗 能量的密度要远远超过物质的密度。我们这里所提到的物质既包括那些发光的 物质，又包括那些暗物质。

虽然天文学家们已经测算出这种暗能量的存在，但是他们还不知道暗能量 的起源和构成。如何在普遍意义上理解“宇宙常数”并在特殊意义上理解“暗 能量”，是今天天文学界尚未解决的重大问题之一。