暗宇宙中的幽灵？
从宇宙学观测结果来看，它是爱因斯坦的最大错误——宇宙学常数的候选者，然而理论上它与其物理对应的真空能与量子力
【菜科解读】
暗能量的本质究竟是什么，目前仍是一个无法回答的问题。
从宇宙学观测结果来看，它是爱因斯坦的最大错误——宇宙学常数的候选者，然而理论上它与其物理对应的真空能与量子力学结果有着巨大差异，让人怀疑它不是真空能。
对此物理学家又提出了标量场暗能量模型，以期避免宇宙学常数所带来的各种问题。
但目前仍然没有一种令人信服的物理理论可以完全地解释暗能量的起源和本质。
撰文 | 巩岩
暗能量是目前宇宙学和物理学的一大谜题。
根据宇宙学观测，目前宇宙中的物质或能量组成中普通物质（或重子物质）只占了约5%，而剩余的95%由暗物质和暗能量占据。
其中，暗物质约占27%，而暗能量则占据剩余的68%。
也就是说，当前宇宙中超过2/3的物质或能量是由暗能量构成的。
图1：宇宙的物质组成。
其中暗能量占了总组成的约68%。
丨图片
而这占据宇宙大部分组成的暗能量，却具有与其他物质截然不同甚至可以说匪夷所思的性质。
与暗物质的粒子属性不同，暗能量通常认为是以一种能量状态的形式存在的。
其最显著的特征是具有负压的排斥力效应，可以看作万有斥力或反引力。
正是由于具有这种奇特的性质，暗能量从被提出便争议不断，如宇宙幽灵一般在物理和天文学中游荡。
从理论上说，暗能量理论的提出可以一直追溯到艾尔伯特·爱因斯坦。
宇宙学常数Λ，目前暗能量最主要的候选者之一，就是爱因斯坦于1917年为了平衡引力场方程来得到一个当时人们普遍接受的稳态宇宙而提出的。
但随后的研究发现，此常数的加入并无法使宇宙保持稳定，而是在微小的扰动下便会加速膨胀或收缩。
特别是1929年埃德温·哈勃首次观测到了宇宙膨胀现象，更是确认了宇宙的非稳态属性。
爱因斯坦得知此观测结果后非常后悔，将宇宙学常数称为自己最大的错误（biggest blunder）。
图2: 宇宙膨胀历史示意图。
观测表明，宇宙晚期开始逐渐加速膨胀。
丨图片
然而富有戏剧性的是，爱因斯坦的这一最大的错误却是目前对绝大多数宇宙学观测结果最简单也是最为相符的解释！
虽然暗能量占据宇宙大多数能量组份，但由于充斥整个宇宙，其密度极低（约为10^（-30） g/cm^3），比常温常压的空气密度低了一千亿亿亿倍！在如此低密度的情况下，在实验室中探测和研究暗能量的性质显然是不现实的。
因此，目前对暗能量的探测主要集中在大天区大样本的宇宙学观测中，即希望通过大规模统计在极大尺度和极多样本中尝试探测暗能量的性质。
早在20世纪80年代和90年代初，人们通过星系团、球状星团等观测，并结合暴涨理论，已经开始意识到宇宙中的一般物质组成可能只占宇宙总质量的一小部分，并间接推断出宇宙中应该存在着一种占据很大组份的具有斥力的能量，即暗能量。
在1998年和1999年，美国的两支观测团队，即索尔·珀尔马特团队和亚当·里斯团队，分别利用观测的Ia型超新星（SN Ia）数据，较为精确的测量了宇宙不同红移处的距离，发现宇宙目前正处于加速膨胀阶段！
图3: Ia型超新星示意图。
白矮星通过吸收伴星物质超过钱德拉塞卡极限而猛烈爆发，形成SN Ia。
SN Ia爆发时光度比较一致，可以作为标准烛光来测定距离。
丨图片来源: ESA
这被认为是暗能量存在的一大直接证据。
这是由于除了暗能量外，根据广义相对论的计算，宇宙中的其它物质或能量在宇宙学尺度上都将被引力所主导，即会由于引力作用而相互吸引。
在此情况下，宇宙只能减速膨胀（或加速收缩），绝不可能出现加速膨胀的情况——除非有某种斥力存在！
在进一步的宇宙学观测中，通过目前多种宇宙学观测手段和探针，如宇宙微波背景辐射（CMB）、重子声波振荡（BAO）、弱引力透镜等，发现暗能量的能量密度随时间并没有显著的变化。
也就是说随着宇宙的膨胀，暗能量并不会像一般物质那样会因为体积的增加而被稀释，而是保持浓度不变。
这种无中生有的奇特现象并不代表违背了能量守恒定律。
根据广义相对论，物质的压强也是一种能量（即能动张量的一部分）。
只要暗能量的压强p为负，且绝对值与能量密度r正好相等（即状态方程w=p/rc^2等于-1，c为光速），就可以允许此现象的存在。
而这正是宇宙学常数的性质。
宇宙学常数一个最直观的物理对应就是真空能或零点能。
这是非常容易理解的，因为真空能或零点能与宇宙学常数一样，在空间中是均匀分布且能量密度不随时间变化的。
真空能的效应可以在卡西米尔效应（Casimir effect）等实验中被观测到，已被物理学家们广泛接受。
从逻辑上来说，随着宇宙的膨胀，真空在不断增加，而真空能的能量密度不变，因而宇宙中的真空能也在相应地不断增加。
这与观测的暗能量性质是一致的。
图4: 真空量子海示意图。
丨图片NASA/CXC/M.WEISS
然而，宇宙学常数当前存在着理论上的巨大挑战。
根据目前观测，宇宙学常数的能量密度不会超过10^（-9）焦耳每立方米。
而根据量子力学的估计，真空能的理论值应该高于10^113焦耳每立方米，即观测值比理论值小了至少121个数量级！如此巨大的差异让人们不禁怀疑是目前的量子力学理论错的太过离谱，还是暗能量其实并不是宇宙学常数或真空能。
因此，另一种主要的暗能量理论也被提出，即标量场暗能量。
标量场暗能量理论的基本想法是引入一个与物质场最小耦合的可以随时间演化的标量场，以及描述这个标量场的势，并以此来解释宇宙的加速膨胀。
与此类似的思想在关于宇宙早期的暴涨理论中就提出过，但驱动暴涨的标量场与后期驱动宇宙加速膨胀标量场之间的关系，目前从理论上来说还并不明确。
与宇宙学常数或真空能不同，标量场暗能量是可以随时间演化的，在空间上的分布也可以不均匀，并且根据其动能项和势能项的相对大小，可以表现为不同强度的吸引力或排斥力。
因此相对于宇宙学常数，在理论上多了一些自由度，可以避免宇宙学常数中的精细调节问题和巧合性问题等问题。
在标量场暗能量模型中，精质暗能量（Quintessence）、幽灵暗能量（Phantom）以及精灵暗能量（Quintom）等均是被广泛讨论的标量场暗能量模型。
这些模型基本是按照状态方程w>-1，w<-1以及w跨越-1来分类的。
图5: 不同暗能量对宇宙结局的影响。
如果暗能量为宇宙学常数，则宇宙会持续加速膨胀；如果是幽灵暗能量（Phantom），则宇宙会在疯狂加速膨胀中导致大撕裂（big rip）；如果暗能量能量密度在未来某刻开始显著下降，则可能会导致宇宙走向大坍缩（big crunch）。
丨图片NASA/GSFC
其中，最为不可思议或疯狂的可能要属幽灵暗能量。
在此模型中，状态方程w始终小于-1。
意味着暗能量的能量密度既不会像宇宙学常数那样保持不变，也不会像精质暗能量那样渐渐减少，而是将随着宇宙的膨胀而不断急剧增加，从而又进一步的推动宇宙膨胀！这种正反馈机制最终会导致在有限的时间内宇宙的膨胀速度趋近于无穷大（由于是空间膨胀，因此并不与相对论冲突），即导致宇宙的大撕裂（big rip）。
届时宇宙中的星系、恒星甚至分子、原子以及亚原子粒子最终都将被撕裂开来而不复存在，最后宇宙将会由于这一幽灵处于一种难以理解的疯狂膨胀状态！
当然，除了标量场暗能量还有许多暗能量模型被提出。
例如通过动能项驱动宇宙加速膨胀的k质（K-essence）、质量为虚数速度始终超过光速的快子（tachyon）、既可以作为暗物质又可作为暗能量的恰普雷金气体（Chaplygin gas）、以及受到量子引力理论启发而提出的全息暗能量（holographic dark energy）等等。
通过以上讨论，我们可以了解暗能量在解释宇宙加速膨胀、大尺度结构演化等方面无疑是成功的，但其作为一种新的能量形式也受到了理论上的挑战。
目前仍然没有一种令人信服的物理理论可以完全的解释暗能量的起源和本质。
从另一方面来说，引起宇宙加速膨胀的并不一定是一种额外的物质或能量，也有可能是由于在星系或宇宙这样大尺度下，引力与我们目前基于太阳系或之下尺度测量的性质是不近相同的。
正是由于这种不同，使之有可能在大尺度上产生与广义相对论有所差异的结果，甚至是引起宇宙的加速膨胀。
基于这种可能性，对目前广义相对论的修改，即修改引力理论，原则上来说也是一种对宇宙加速膨胀的可能解释。
图6: 主要的修改引力各理论分类示意图。
丨图片Shankaranarayanan & Johnson, 2022, General Relativity and Gravitation, 54, 44
目前的修改引力理论主要是针对修改广义相对论来进行的，如通过引入额外的场与度规张量相耦合，此场可以是标量场、矢量场和张量场；或者假设一些基本的定律和认识可以被打破，如引入额外维度、破坏洛伦兹不变性、引入非局域性等；还可以假设引力子具有静质量，而非自旋为2的无静质量粒子等等。
当然，不同修改引力理论所产生的现象和效应都不尽相同，与暗能量理论的预言也是存在不同程度的差异的。
因此，更需要未来的地面及空间望远镜来精确测量不同现象和效应，来准确区分不同的理论模型，并高精度的检验广义相对论。
未来的下一代宇宙学巡天观测目前正在紧锣密鼓的开展进行中，包括空间的欧几里得望远镜（Euclid）、罗曼望远镜（RST）、我国的巡天空间望远镜（CSST）、以及地面的鲁宾天文台（LSST）等等。
暗能量是否存在？其本质是什么？相信依靠未来强大的观测能力和多种探测手段，一定能够揭开暗能量这一宇宙幽灵的神秘面纱。
参考文献
[1] Eisenstein, D. J. et al., 2005, ApJ, 633, 560-574
[2] Gong, Y. et al., 2019, ApJ, 883, 203
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[8] Riess, A. G. et al., 1998, ApJ, 116, 1009-1038
[9] Riess, A. G. et al., 2004, ApJ, 607, 665
作者简介
巩岩，中国科学院国家天文台研究员，宇宙学巡天研究团组负责人，中国巡天空间望远镜（CSST）国家天文台科学中心常务副主任。
主要从事暗能量和暗物质模型理论和观测限制、宇宙大尺度结构、宇宙红外背景、宇宙再电离时期等研究工作。
目前已在 Nature、Science、PRL等杂志作为第一作者或主要贡献者发表60余篇学术论文。
本文经授权转载自微信公众号中国科学院国家天文台。
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约克大学考古学家在历史悠久的斯基普西遗址挖掘中世纪木材大厅
资料来源：uux.cn约克大学（神秘的地球uux.cn）据约克大学（萨曼莎·马丁）：约克大学的一组考古学家返回东约克郡的斯基普西，挖掘诺曼城堡遗址附近发现的中世纪木材大厅的遗迹。
大约十年前，考古学家Jim Leary博士和Elaine Jamieson博士发现了一个直径85米、高13米的巨大土堆，它起源于铁器时代，这在当时的英国是独一无二的。
最初被认为是一座城堡，放射性碳年代测定表明，这个土堆存在于诺曼征服前1500年。
最近对周围地区的挖掘发现了一个很长的木材大厅，可能比城堡还要古老，大小很大，宽5米，长16米，周围是一个挖沟的围栏。
罕见的发现这座建筑的遗址被柱子洞标出，柱子洞显示了大厅的大小和形状，但本月的进一步挖掘可能会表明，鉴于其规模，这是一个具有一定重要性的区域，也许是领主迎接游客和举行宴会的地方。
约克大学考古系的Jim Leary博士说：“从罗马帝国崩溃到维京人到来这段时间（通常被称为黑暗时代），木材建筑的出土是一个极其罕见和重要的发现。
“斯基普西的发现特别有趣，因为我们知道该地区曾落入最后一位盎格鲁撒克逊英格兰国王哈拉尔德·戈德温森之手，后来，在1066年诺曼征服后，它成为了霍尔德内斯领主的庄园中心。
”淡水湖斯基普西曾是三个淡水湖的所在地，斯基普西贝雷湖、斯基普希低雷湖和斯基普西·威索韦雷湖，通过支流网络与赫尔河相连。
这些湖泊早就消失了，始于一万年前的中石器时代，一直延续到中世纪。
在这段时间里，这些湖泊一直吸引着人们，它们的遗迹继续吸引着考古学家、考古学家、土地所有者和当地人。
人们在其中发现了中石器时代的石器、动物遗骸和骨鱼叉，新石器时代和青铜时代的建筑和轨道也在其边缘，为人们提供了对史前生活的进一步了解。
地方军阀约克大学考古系的Elaine Jamieson博士说：“这个时代普遍缺乏书面记录，见证了当地军阀的兴衰，不受罗马的影响或控制。
“这些结构的发现为了解这段鲜为人知的历史提供了一个独特的窗口，突显了我们正在进行的挖掘的重要性和兴奋性。
”
考古学家发现100年前埋葬在密西西比州精神病院墓地的罕见“瓷胆囊”女性墓地
保存下来的瓷胆囊可以在该女子躯干的右侧看到。
（图片来源：uux.cn/UMMC庇护山项目；Kyle Winters）（神秘的地球uux.cn）据美国生活科学网站（Kristina Killgrove）：大约100年前，密西西比州精神病院的一名妇女死于一种罕见的疾病，这让正在挖掘精神病院无标记坟墓的现代考古学家感到困惑。
但很快，在医学合作者的帮助下，研究小组确定了这名妇女躯干骨骼残骸中的硬蛋形物体是一个“瓷胆囊”——这种情况以前从未在考古骨骼中发现过。
在3月30日发表在《国际骨考古杂志》上的一项研究中，研究人员详细介绍了保存了一个世纪的胆囊的罕见发现。
虽然器官通常在人死后会随着时间的推移而完全腐烂，但在这种情况下，胆囊已经钙化，钙在器官的肌肉壁中积聚，导致其硬化。
保存下来的器官，在医学文献中通常被称为瓷胆囊，与埋葬在收容所墓地的一具中年妇女的骨架有关。
该收容所成立于1855年，1935年关闭，治疗了数万名患者，其中约7000人在居住期间死亡，被埋葬在带有木制标记的简单松木盒子里。
该墓地于2012年在土地开发过程中被重新发现，现在位于密西西比大学医学中心。
庇护山项目的挖掘工作于2022年开始，由UMMC生物考古学家Jennifer Mack领导。
麦克在一封电子邮件中告诉《生活科学》：“胆囊疾病在现代美国人群中相当常见，尽管在过去几十年中发病率有所上升。
”。
尽管在考古环境中偶尔会发现微小的胆囊，但这是首次报道在墓地中发现瓷胆囊。
在现代医学研究中，瓷胆囊被认为是一种罕见的由器官慢性炎症引起的疾病，这种疾病被称为胆囊炎。
瓷胆囊形成的确切原因尚不清楚，但很明显，胆囊壁是矿化的。
患有这种疾病的人通常没有症状，女性的发病率是男性的五倍。
显微CT图像显示了保存的瓷胆囊的结构和胆囊内的胆结石。
（图片来源：麻省理工学院生物医学材料科学系）埋葬的物体长1.8英寸（46毫米），宽1.1英寸（28.5毫米），重量刚刚超过半盎司（16.1克）。
通过UMMC的X射线和显微CT扫描，它被确定为瓷胆囊，因为在钙化边缘的不规则表面下，研究团队发现了一个巨大的胆囊结石。
麦克说：“有趣的是，这个物体最初对生物考古学家来说是一个令人兴奋的谜团，而我们项目中的退休外科医生几乎一眼就认出了它。
”研究人员在研究中指出，在庇护山项目发现的前100个墓穴中，除了一名胆囊瓷质的女性外，他们还发现了5名胆结石患者。
他们写道：“明显高比例的胆囊炎庇护患者是巧合，因为胆囊疾病与导致神经精神症状的精神疾病或生理疾病之间没有关联。
”波兰罗兹大学的古病理学家Francesco Maria Galassi没有参与这项研究，他在一封电子邮件中告诉Live Science，他觉得这项合作研究很有趣，并同意诊断结果。
然而，Galassi想知道过去使用的药物是否会使这些庇护患者面临更大的胆囊疾病风险。
“例如，”Galassi说，“众所周知，鸦片的使用会导致Oddi括约肌痉挛，”Oddi括约肌是一种打开和关闭的肌肉，因此胆汁和胰液可以流入小肠，导致连接肝脏和胆囊的管道中的胆汁减慢或停止。
Galassi建议，如果可能的话，“调查这家精神病院患者服用的药物并评估潜在的健康相关性是有意义的。
”虽然该收容所在抗生素时代开始之前就关闭了，但麦克说：“在历史记录研究的过程中，要真正说明定期为生理或精神疾病提供哪些药物治疗还为时过早。
”研究人员在研究中写道，未来可能会对瓷胆囊的内容物进行额外的测试。
Mack说，目标是建立一个化学成分数据库，帮助考古学家更好地识别胆结石。
