关于宇宙本身，我们可以问的一个最基本的问题是“是什么构成了它？在很长一段时间里，答案似乎很明显：物质和辐射。在我们的宇宙历史中，我们随时随地都大量观察它们。大约~年来，我们已经认识到-与广义相对论一致-我们的宇宙正在膨胀，宇宙膨胀的方式是由其中所有形式的物质和辐射决定的。自从我们意识到这一点以来，我们一直在努力测量宇宙膨胀的速度以及这种膨胀在我们的宇宙历史中如何变化，因为了解两者将决定我们宇宙的内容。
在年代，观测结果终于变得足够好，可以揭示答案：是的，宇宙包含物质和辐射，因为宇宙中约有30%是由物质（正常和黑暗，组合）组成的，今天约有~0.01%是辐射。但令人惊讶的是，大约70%的宇宙不是这些，而是一种能量形式，就好像它是太空固有的一样：暗能量。这种暗能量的行为方式与我们期望的宇宙常数（在广义相对论中）或空间的零点能量（在量子场论中）的行为方式相同。但从理论上讲，这绝对是一场噩梦。这是每个人都应该知道的。
今天，费曼图被用于计算跨越强力、弱力和电磁力的每个基本相互作用，包括在高能和低温/冷凝条件下。包括高阶“循环”图可以更精细，更准确地近似我们宇宙中数量的真实值。
(图片来源：V.S.deCarvalho和H.Freire，Nucl。物理B，）
从量子的角度来看，我们描绘宇宙的方式是真实粒子（量子）存在于时空结构之上，它们通过（虚拟）粒子的交换相互作用。我们绘制出代表粒子之间可能发生的所有可能相互作用的图表-费曼图-然后计算每个这样的图表如何有助于所讨论的多个量子之间的整体相互作用。当我们按照复杂性的递增顺序对图表进行总结时——树形图、单循环图、双循环图等。—我们越来越接近我们的实际物理现实。
但是我们还可以画出其他图表：这些图表不对应于传入和传出的粒子，而是表示在空白空间本身中发生的“场波动”的图表。就像在真实粒子的情况下一样，我们可以写下并计算复杂性不断增加的图表，然后总结我们得到的近似零点能量的真实值：或空白空间本身固有的能量。
当然，确实有无限数量的项，但无论我们计算第一个、前几个还是前几个项，我们发现它们都给出了非常大的贡献：贡献太大，无法与观测到的宇宙保持一致超过个数量级。（即，超过10的系数.)
量子电动力学中零点能量的几个术语。由于费曼、施温格和
朝永振一郎
，这一理论的发展导致他们在年获得诺贝尔奖。这些图表可能会使粒子和反粒子看起来好像在突然出现和消失，但这只是一个计算工具;这些粒子是虚拟的，而不是真实的。
(学分：R.L.Jaffe，Phys.Rev.D，）
一般来说，当你有两个大数并且你取它们的差时，你也会得到另一个大数。例如，想象一下世界上“亿万富翁”名单上两个随机的人的净资产，人A和人B。也许人A值38亿美元，也许人B值16亿美元，因此他们之间的差额将是~22亿美元：确实是一个很大的数字。你可以想象这样一种情况：你随机选择的两个人的价值几乎完全相同，但这些情况通常只发生在两者之间存在某种关系时：比如他们共同创立了同一家公司，或者碰巧是同卵双胞胎。
一般来说，如果你有两个都很大的数字，“A”和“B”，那么这两个数字之间的差值，
A–B
，也会很大。只有当有某种原因时——例如，潜在的对称性，或者它们之间的潜在关系，或者某种导致这两个数字几乎完美匹配的机制——这些数字之间的差异才会产生。
A–B
，与“A”和“B”本身相比非常小。
另一种解释是，这两个数字确实非常接近，但完全是巧合：这两个值彼此越接近，这种情况就越不可能。
当我们看到像球一样的东西在山顶上不稳定地平衡时，这似乎是我们所说的微调状态，或者不稳定的平衡状态。一个更稳定的位置是让球落在山谷底部的某个地方。每当我们遇到经过微调的身体状况时，都有充分的理由寻求出于身体动机的解释;当我们有带有假最小值的山丘时，有可能陷入其中而无法达到“真实”最小值。
(学分：L.Albarez-GaumeJ.Ellis，NaturePhysics，）
当我们试图使用量子场论计算空空间零点能量的期望值时，贡献的单个项的值与基本常数的组合成正比-√（?c/G）-提高到四次方。常数的组合也称为普朗克质量，其值相当于~eV（电子伏特）的能量，当你记得E=mc2。当你将该值提高到第四次方并保持能量时，你会得到eV4，您将获得分布在某个空间区域的值。
现在，在我们真实的宇宙中，我们实际上从宇宙学上测量暗能量密度：通过推断它需要具有什么值才能赋予宇宙观察到的膨胀特性。我们用来描述膨胀宇宙的方程允许我们将上方的“能量值”转换为能量密度（特定空间体积的能量值），然后我们可以将其与实际观察到的暗能量值进行比较。而不是eV4，我们得到一个更像值10-10或10-11eV4，这对应于前面提到的超过个数量级的不匹配。
过去不同时期宇宙中不同能量成分的相对重要性。请注意，当暗能量在未来达到接近%的数字时，宇宙的能量密度（以及因此的膨胀率）将在时间上保持恒定。由于暗能量，遥远的星系已经在加速它们与我们明显的衰退速度。在这张图的刻度之外，左边是暴胀时代结束和热大爆炸开始的时候。暗能量的能量密度比理论预期低~个数量级。
（图片来源：E.Siegel）
几十年来，人们已经注意到宇宙的这一特性：我们对空间零点能量的预测值是荒谬的。如果这是正确的，膨胀的宇宙要么重新坍缩，要么在极早地膨胀成空虚的虚无：在电弱对称性破裂之前，粒子甚至获得非零静止质量，更不用说在原子，原子核甚至质子和中子形成之前。我们知道“预测”一定是错误的，但以下哪个原因解释了原因？
所有这些项的总和，即使它们单独很大，也会以某种方式完全抵消，因此空间零点能量的实际值确实为零。
空间零点能量的实际值随机地取所有可能的值，然后只有在其值承认我们存在的地方，我们才能出现来观察它。
或者这是一个可计算的实体，如果我们能正确地计算它，我们会发现一个几乎精确但只是近似的抵消，因此零点能量的实际值很小但非零。
在这些选项中，第一个只是一种预感，无法解释宇宙中的实际暗能量，而第二个基本上放弃了对这个问题的科学方法。无论答案如何，我们仍然需要迎接挑战，弄清楚如何计算真空本身的实际零点能量。
理论物理学面临的巨大挑战之一是计算当所有粒子都被移除时，空空间的预期零点能量（或真空期望值）。我们现实背后的量子场仍然存在，但我们不知道如何计算我们实际宇宙的这个值。
(图片来源：SLAC国家加速器实验室）
如果你是一个物理学家，你可能会想象，对零点能量的大部分可能贡献被奇迹般地抵消了，但少数贡献仍然存在，并且没有相等和相反的贡献来抵消它们。也许所有夸克和反夸克的贡献都抵消了。也许所有带电轻子（电子，μ介子和tau）的贡献与它们的反粒子伙伴一起抵消，也许只有剩余的“未取消”的贡献实际上解释了宇宙中存在的暗能量。
如果我们想象发生了某种部分抵消，我们需要留下什么，剩下的，来解释宇宙中存在的（相对微小的）暗能量？
答案令人惊讶：对应于仅几分之一电子伏特的能量尺度，或介于0.和0.01eV之间的能量尺度。什么样的粒子的静止质量相当于该特定能量值？信不信由你，我们在标准模型中有一些：中微子。
根据标准模型，轻子和反轻子都应该是彼此独立的独立粒子。但是这三种类型的中微子都混合在一起，表明它们一定是巨大的，此外，中微子和反中微子实际上可能是彼此相同的粒子：马约拉纳费米子。
(学分：E.Siegel/BeyondtheGalaxy）
按照最初的表述，标准模型将使所有的夸克都是巨大的，还有带电的轻子、W-和Z玻色子以及希格斯玻色子。其他粒子——中微子和反中微子、光子和胶子——都是无质量的。在热大爆炸之后，除了产生的正常物质粒子（质子，中子和电子）外，还产生了大量的中微子，反中微子和光子：每个存活的质子大约~1亿个。
事實證明，正如我們在年代首次懷疑，然後在年代和年代初感到困惑的那樣，中微子根本不是無質量的。相反，最初产生的中微子或反中微子（电子，μ介子或tau）的种类并不总是你以后观察到的中微子物种。无论是穿过空间真空还是穿过物质，中微子改变味道的概率都不为零，这只有在它们有质量的情况下才会发生。（否则，作为无质量的粒子，它们不会经历时间，因此不会有振荡周期。中微子具有质量的事实必然意味着它们有一些关于标准模型的原始公式没有解释的特性。
电子（黑色）、μ介子（蓝色）和tau（红色）中微子的真空振荡概率，用于一组选定的混合参数，从最初产生的电子中微子开始。准确测量不同长度基线上的混合概率可以帮助我们理解中微子振荡背后的物理学，并且可以揭示与三种已知中微子耦合的任何其他类型的粒子的存在。为了使中微子振荡，它们必须具有非零质量。如果额外的粒子（如暗物质粒子）带走能量，整个中微子通量将显示赤字。
(图片来源：海峡/维基共享资源）
由于我们不知道究竟是什么赋予了中微子这些非零静止质量，我们必须非常小心，不要过早地排除将它们的质量尺度与宇宙中出现的观测到的暗能量的“能量尺度”联系起来的情况。许多人提出了这种耦合的合理机制，但还没有人解决这样一个难题，“我们如何利用量子场论和我们知道存在于宇宙中的量子场来计算空间的零点能量？我们可以测量暗能量的实际值，但就理解方程的理论方面而言，我们只能说，“我们没有。
这个故事的另一个需要包括的方面是，在热大爆炸开始之前，我们的宇宙经历了一个单独的早期时期，宇宙正在膨胀，就好像我们对空间的零点能量有一个正的、有限的值：宇宙膨胀。然而，在通货膨胀期间，能量远大于今天的值，但仍然没有预期的普朗克能量范围值那么大。相反，通货膨胀的能量规模低于~eV，可能低至~eV：比今天的值大得多，但仍然比我们天真预期的值小得多。
这张年的图显示了轴子丰度和耦合的排除极限，假设轴子占银河系内暗物质的~%。显示了KSVZ和DFSZ轴子排除限值。请注意，如果使用轴子质量来校准暗能量预期的“能量尺度”，则它是一个暗示性的候选者。
(图片来源：N.Duetal.（ADMXCollaboration）物理学修订版，）
此外，由于宇宙中一定存在某种暗物质-某种不属于标准模型的粒子-许多人想知道任何负责暗物质的粒子与负责暗能量的任何能量尺度之间是否存在某种联系。一种候选暗物质的粒子，轴子，通常质量非常低，低于~1eV，但必须大于~0.00eV（微电子伏特），这使它处于非常有趣的范围内，暗示与暗能量的联系。
但难题仍然存在，并且仍未解决：根据我们的场论，我们如何知道或计算真空的零点能量实际上是什么？
这是我们绝对必须学习如何做的事情。我们必须学习如何进行这种计算，否则我们对什么引起或不引起暗能量没有很好的理论理解。事实是我们不知道该怎么做;我们只能“假设它都是零”，除了一些非零的部分。即使我们这样做了，我们还没有发现为什么暗能量的“质量/能量尺度”只具有这个低但非零值，任何值似乎都是可能的。它一定让我们怀疑：我们是否正确看待问题？
宇宙遥远的命运提供了许多可能性，但如果暗能量真的是一个常数，正如数据所表明的那样，它将继续沿着红色曲线前进，导致《从爆炸开始》中经常描述的长期情景：宇宙最终的热寂。如果暗能量随着时间的推移而演变，那么大撕裂或大紧缩仍然是可以接受的，但我们没有任何证据表明这种演变不仅仅是空洞的猜测。稳态模型，就像完美的宇宙学原理一样，被排除在外。
(图片来源：NASA/CXC/M.Weiss）
但有很多理由可以抱有希望：从观察上看，我们正在取得巨大进展。20年前，我们认为暗能量表现为真空空间的零点能量，但我们对它的不确定性约为~50%。到15年前，不确定性下降到~25%左右。现在，它们下降了~7%左右，即将到来的任务，如欧空局的欧几里得，NSF的地面维拉鲁宾天文台，以及美国宇航局即将推出的南希格雷斯罗马望远镜，计划成为我们的下一个旗舰任务，现在JWST已经发射，我们准备将暗能量的状态方程限制在~1%以内。
此外，我们将能够测量暗能量密度是否在宇宙时间上发生变化，或者它在过去~80+亿年中是否是一个常数。根据我们今天拥有的数据，看起来暗能量在任何时候和地点都表现得非常像一个常数，并且它与空白空间本身的零点能量一致。然而，如果暗能量的行为与此有任何不同，下一代天文台也应该揭示这一点，并对我们如何看待宇宙命运产生影响。即使理论没有为下一个重大突破铺平道路，改进的实验和观察也总是提供一个机会，向我们展示我们以前从未见过的宇宙，并向我们展示我们可能错过的秘密！
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