●宇宙看起来似乎正在加速膨胀，表明宇宙中存在一种奇怪的未知能量形式——暗能量。问题在于，没有人知道暗能量到底是什么。
●宇宙学家或许根本不需要求助于什么暗能量。如果我们居住在一个物质密度低于宇宙平均水平的空间区域，宇宙膨胀的速率就会随位置的不同而发生变化，这就有可能被误认为是膨胀速率在随时间流逝而加速。
●在大多数宇宙学家看来，超级宇宙巨洞似乎很不靠谱，不过暗能量同样很不靠谱。未来几年的观测数据将判定这两种说法谁对谁错。
大尺度上物质密度的不同导致空间非均匀膨胀，可能产生天文学家通常归因于暗能量的观测效应。
科学界最伟大的革命，往往由现实和预期之间最细微的差异所引发。16世纪，哥白尼提出地球并非宇宙中心，他的立论基础在当时许多人看来，不过是天体运动中一些深奥难懂的细枝末节。今天，一场新的科学革命，已经随着11年前宇宙加速膨胀的发现而拉开序幕。超新星亮度上的细微差异，曾让天文学家得出结论：构成宇宙的所有物质成分当中，有70%是完全未知的。也就是说，空间中充斥着一种不同于其他任何物质的成分——它们始终推动着宇宙膨胀，而不像其他物质那样阻碍膨胀。这种成分被称为暗能量(dark energy)。
10多年过去了，一些宇宙学家依然对暗能量的存在感到不可思议，甚至开始重新思考那些最初令他们推导出暗能量的基本假设。其中一个假设正是早期科学革命的产物——哥白尼原理(Copernican principle)。这个原理认为，地球所处的位置既不是宇宙中心，也没有任何特殊之处。如果我们抛弃这一基本原理，一套能够解释这些观测现象而又不需要借助暗能量的宇宙图景，就会令人惊讶地显现出来。
大多数人都非常熟悉这样一个观念：我们这颗行星不过是一粒宇宙微尘，在一个毫不起眼的星系边缘附近，围绕着一颗普普通通的恒星旋转。在我们这个宇宙当中，类似的星系至少有数十亿，分布之广甚至超过我们的宇宙视界(cosmic horizon，即我们能够观测到的最远边界)——这使我们相信，自己在宇宙中的位置没有任何独一无二之处。不过，有什么证据能够支持如此谦卑的宇宙观？我们又如何才能确定自己是否处在一个特殊位置上呢？天文学家通常会跳过这些问题，假定我们的微不足道是显而易见的，不需要进一步探讨。我们或许真的处在宇宙中一个特殊的位置——考虑这样一种可能性在许多人看来似乎是不可思议的。然而，这正是世界各地一些物理学家小组最近正在认真思考的观点。
具有讽刺意味的是，假设自己在宇宙中无足轻重，恰恰给宇宙学家提供了强大的解释能力。根据哥白尼原理归纳而成的宇宙学原理 (cosmological principle)声称：任何时刻，从空间中的任意一点朝任意方向看去，宇宙的模样都是一样的。这个假设让我们可以把自己在宇宙一隅看到的东西外推到整个宇宙。宇宙学家已经付出了巨大的努力，以宇宙学原理为基础，构建起了代表科学最高水准的宇宙学模型。结合现代科学对空间、时间和物质的理解，宇宙学原理暗示：空间正在膨胀，宇宙正在变冷，其中充斥着来自炽热宇宙开端的遗迹——所有这些预言都被天文观测一一证实。
比如说，天文学家发现，遥远星系发的光似乎比邻近星系发的光更红一些。这种被称为红移(redshift)的现象就能够用空间膨胀来巧妙解释，因为光波也会随空间的膨胀而被相应地拉长。微波探测器还发现了宇宙极早期发出的辐射——宇宙微波背景(cosmic microwave background)。这种大爆炸原始火球的遗迹，像一层帷幕包裹在空间各个方向，平滑得几乎完美无瑕。公平地讲，能成功解释这些现象，我们自视谦卑的态度实在功不可没——假设自己在宇宙中的位置越不重要，我们就越能够“全面”地探讨宇宙。
黑暗降临
遥远的超新星总是暗于科学家的预期，如果坚持宇宙学原理，这就意味着宇宙中存在暗能量。
既然如此，为什么我们不能安于现状？如果宇宙学原理真的如此成功，为什么还要去质疑它？问题就在于，最近的天文观测有了一些非常奇怪的结果。过去十年来，天文学家发现，对于红移程度确定的遥远超新星来说，观测到的亮度总是暗于预期。超新星的红移标明了自它爆炸以来空间膨胀的幅度。测出遥远超新星发光的红移程度，宇宙学家就能推断，这颗超新星爆炸时宇宙的尺寸比今天小多少。超新星红移程度越高，它爆炸时宇宙的尺寸就越小，因此从那时起到现在，宇宙膨胀的幅度也就越大。
超新星的观测亮度给我们提供了一种方法，能够测量它到我们的距离，从而揭示这颗超新星爆炸距今有多久。如果一颗超新星的红移程度已经确定，而它的亮度看起来又低于预期，这颗超新星的距离就一定比天文学家认为的更远。它发的光需要更长的时间才能传到我们这里，这意味着宇宙从当时的大小膨胀到现在的大小，一定花了更久的时间(参见右页)。因此，宇宙过去的膨胀速度一定比科学家以前预期的更缓慢。事实上，遥远的超新星看上去非常暗，以至于宇宙必须加速膨胀才能赶上它目前的膨胀速度。
这种加速膨胀触发了一场宇宙学革命：宇宙中的物质本该吸引时空结构，使膨胀速度逐渐放缓，但超新星数据暗示，情况恰恰相反。如果宇宙学家接受宇宙学原理，并且假设加速膨胀出现在宇宙各处，我们就能得出这样一个结论：宇宙中必定充斥着一种能够产生排斥力的奇异能量——暗能量。
在物理学家用来描述基本粒子和作用力的标准模型中，没有任何东西与暗能量相符。这是一种尚未被直接观测到的物质，它的性质不同于我们以往看到的任何东西，能量密度也比我们能够作出的最简单设想低了120个数量级(根据量子场论推算出的真空能，能量密度是暗能量的 10120倍)。对于暗能量可能是什么，物理学家有了一些想法，但至今仍然纯属推测。简而言之，对于暗能量，我们几乎可以说是一无所知。不论暗能量可能是什么，研究人员正在着手进行一系列雄心勃勃、耗资巨大的地面和空间探测任务，用来寻找暗能量并测定它的性质。对许多人来说，这是现代宇宙学面临的最艰巨挑战。
哥白尼的遗产
哥白尼原理认为，地球并不处在宇宙中某个特殊的位置上。宇宙拥有一个统一的密度(均匀性)，往任何方向看过去都一样(各向同性)。
这个原理尽管很有影响力，但只适用于远远大于星系的尺度。毕竟，如果完全均匀，宇宙就会变成一锅稀薄的原子“稀粥”，不可能会有灿烂的星系了。另外，这个原理只适用于空间，而不适用于时间。我们确实生活在一段特殊时期——距离大爆炸足够久，使复杂的生命得以形成；又距离大爆炸足够近，因而宇宙中的恒星仍在闪耀，还没有全部熄灭。
哥白尼通常被视作一个象征，标志着人类从所有重要的位置上被拉下马来。不过，加拿大不列颠哥伦比亚大学的历史学家丹尼斯·丹尼尔森(Dennis Danielson)认为，尽管哥白尼之前的欧洲人将地球置于宇宙中心，但他们并不认为这个中心是一个重要的位置，恰恰相反——用伽利略的话来说，这里只是“宇宙中污秽和蜉蝣聚集的污水池”。
光明之路
如果我们生活在一个足够巨大的宇宙巨洞内部，解释超新星观测数据就可以完全不需要暗能量
面对如此不可思议、看起来不太可能存在的暗能量，一些研究人员开始重新思考“暗能量存在”的推导过程，质疑起当时的一个根本假设——我们在宇宙中所处的位置到底是不是很普通，我们观测到的现象能不能推广到宇宙各处？如果抛开宇宙学原理，暗能量存在的证据能不能通过其他方式来解释？
在传统宇宙学描述中，“宇宙膨胀”指的是宇宙作为一个整体发生的膨胀。就如同谈论一个正在充气的气球：我们说气球充到了多大，指的是整个气球的大小，而不会具体到气球上每一小块膨胀了多少。不过，我们都在聚会场合见到过一些奇形怪状的气球，它们的膨胀并不均匀。比如长条状气球充气时，侧边上的一圈会迅速膨胀，然后鼓起来的部分才会向长条的另一端延伸过去。在抛弃宇宙学原理的另一种宇宙学观点中，空间也能够不均匀膨胀。一幅复杂得多的宇宙图景就此浮出水面。
我们不妨看一看下面这种模型，这是南非开普敦大学(University of Cape Town)的乔治·埃利斯(George Ellis)、查尔斯·赫拉比(Charles Hellaby)和纳齐姆·穆斯塔法(Nazeem Mustapha)最先提出，后来被法国巴黎-默东天文台(Paris-Meudon Observatory)的玛丽-诺埃勒·塞莱里耶(Marie-Noelle Célérier)进一步发展的：首先，假设宇宙各处膨胀都在减速，因为物质总是在吸引时空，阻止它向外膨胀；然后，假设我们居住在一个超级庞大的宇宙巨洞(cosmic void)之中——巨洞内部并非空无一物，只不过平均物质密度仅为其他地方的一半甚至三分之一。一块空间区域越是空旷，内部包含的、能减缓空间膨胀的物质就越少；因此，巨洞内部的膨胀速度要比其他地方更快——正中央膨胀最为迅速，越靠近边缘膨胀越慢，因为巨洞外密度较高的区域在边缘附近已经开始发挥作用了。任何时刻，空间不同部分的膨胀速度都不相同，就像那些奇形怪状的气球充气时膨胀不均匀一样。
设想一些超新星在这个不均匀宇宙中的不同位置爆发，有些靠近巨洞中心，有些靠近巨洞边缘，还有一些位于巨洞之外。如果我们靠近巨洞中心，一颗超新星距离我们越远，它周围空间的膨胀速度就越慢。它发出的光在向我们传播的过程中，所经区域的膨胀速度会越来越快。光经过每一块区域，空间膨胀都会把光波拉长一点，这种效应累积起来产生了我们观测到的红移。光在这样一个宇宙中传播一定距离后产生的红移，要比在以相同速度(即我们周边的膨胀速度)整体膨胀的宇宙中产生的红移略低一些。反过来，光在这样一个宇宙中要达到一定的红移，它的传播距离就必须比膨胀速度一致的宇宙里光的传播距离更长——也就是说，这颗超新星必须离我们更远，因而看起来更暗。
换句话说，这个模型把膨胀速度的变化从时间上“转移”到了空间上。通过这种方式，宇宙学家不需要引入暗能量，就能解释“超新星亮度暗于预期”这一观测事实。为了让这套“另类”解释行得通，我们必须生活在一个真正达到宇宙尺度的巨洞之中。超新星观测的范围已经延伸到几十亿光年之外，占据了整个可观测宇宙中很大的一部分。要想解释这些观测数据，巨洞的大小就必须达到类似的尺度。无论以谁的标准来看，这都足够称得上“巨大”了。
蒂莫西·克利夫顿(左)和佩得罗·G·费雷拉(右)都是英国牛津大学的宇宙学家。他们的研究领域相同，都是早期宇宙物理学和爱因斯坦广义相对论的潜在修正模型。
克利夫顿还热衷于品酒，他说生活中真正让他感兴趣的是勃艮第葡萄酒。费雷拉是畅销天文学图书《宇宙状态》(The State of the Universe)的作者，他位于牛津的住所里正在举办一个艺术创作系列活动，他还参与了许多支持非洲科学教育的项目。
