暗能量随着时间减弱？物理学最大谜团之一，暗能量本质获新线索

作者 | 李兆滢 剑桥大学工程学博士

什么是暗能量？这是当今物理学最大的谜团之一。天文学家认为暗能量是导致宇宙正在加速膨胀的幕后推手，但没人有知道暗能量的本质究竟是什么。今年4月初，研究人员发布了暗能量光谱仪（DESI）的初步结果。他们发现，有迹象表明，随着时间的推移，暗能量似乎在减弱！

因参与发现暗能量而荣获诺贝尔奖的亚当·里斯表示：“如果这是真的，这将是25年来我们获得的关于暗能量本质的第一个真正的线索。” 要想了解暗能量，我们得从广义相对论开始说起。

图：基于暗能量光谱仪的第一年数据，研究人员以前所未有的精度绘制了迄今为止最大的宇宙3D图，这使得他们能够确定宇宙的膨胀史。（图/Claire Lamman/DESI collaboration; custom colormap package by cmastro）

膨胀，加速膨胀！

1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，这个全新的引力理论告诉我们，引力的本质是几何的，是时空的弯曲使物体运动，就好像物体受到了力的影响一样。例如，像太阳这样的大质量天体就会扭曲时空的结构，从而导致地球绕其旋转。到了1917年，当爱因斯坦用广义相对论来研究整个宇宙时，他发现宇宙是不稳定的。这个结论令他感到不安，因为他认为宇宙应该是静态的才对。于是，他在广义相对论的核心方程中引入了所谓的宇宙学常数。这个常数的作用是产生一种将空间向外推的斥力，它能平衡向内的引力，使宇宙保持静态。

图：爱因斯坦在方程中引入宇宙学常数。（图：新原理研究所）

但宇宙真的是静态的吗？

1922年，弗里德曼在研究了广义相对论后提出了宇宙正在膨胀的可能性。1927年，勒梅特基于广义相对论进行了独立的计算，得出了与弗里德曼一样的结论。到了1929年，哈勃用观测数据证实了，宇宙的确不是静态的，而是在膨胀！这也意味着，爱因斯坦引入“宇宙学常数”似乎是一个错误，但事实真是如此吗？

时间快进到1998年，两个独立的研究小组在测量了宇宙的膨胀率后发现，宇宙不只在膨胀，而是在加速膨胀！这是一个非常令人震惊的发现，因为科学家一直认为宇宙的膨胀会因为引力的作用而逐渐减慢，但事实却完全相反。而驱动宇宙加速膨胀的幕后推手，就被称为暗能量。

图：暗能量。（图片素材／The Royal Swedish Academy of Sciences）

那么，暗能量会是什么呢？理论学家很快就提出，暗能量很可能就是宇宙学常数，或者等价的说是真空能。根据量子物理学，真空并不空，而是充满了量子涨落——虚粒子对会不断地出现，但又在瞬间湮灭消失。这些虚粒子对的出现和消失是由充满宇宙并向外推动空间的真空能造成的。今天，宇宙学常数已经成为了宇宙学标准模型的一个重要部分。宇宙学标准模型被称为ΛCDM，

其中Λ表示宇宙学常数，也就是暗能量，CDM代表的则是冷暗物质——暗物质的本质是宇宙学的另一大谜题。

根据ΛCDM的预测，暗能量的强度不会随时间而改变。如果我们想要验证这一预测，就需要测量宇宙在不同时期的膨胀率。天文学家可以通过测量一种被称为“重子声学振荡”的现象来探究宇宙的膨胀率。那什么是重子声学振荡呢？

早期宇宙的回声

在宇宙大爆炸之后的最初那段岁月中，普通物质和辐射紧密地结合在一起，形成了一个由粒子和光子组成的炽热的、稠密的等离子体。这些粒子中有氢核和氦核，它们统称为重子。在最初的混乱状态中，有些区域的密度超过了其他的区域，所以这些密度高的区域在引力的作用下会吸引周围的等离子体。然而，这些由引力引起的运动会受到光子产生的压力的抵抗，从而将物质推开。引力和压力之间的相互作用产生了携带物质的声波——它们会以气泡的形式向外扩散，在等离子体中泛起涟漪。

在大爆炸后的38万年，宇宙已经冷却到足以使中性原子形成，光子也开始自由地在宇宙中传播。这就意味着不再有辐射压力来对抗引力，因此，涟漪基本上被冻在原地。在接下来数亿年的时间里，引力的作用使物质开始聚集，形成了第一批恒星和星系，沿着涟漪形成的星系要比其他地方多一些。

图：重子声学振荡是测量宇宙膨胀的标准尺。

随着宇宙膨胀，被冻住的涟漪也会不断延伸，增加了星系之间的距离。天文学家把星系大尺度分布中的涟漪称为重子声学振荡（BAO）。BAO可以作为测量宇宙的标准尺，所以通过绘制在宇宙不同时间段的BAO气泡的大小，就可以测量宇宙的膨胀史。

暗能量决定宇宙命运

在最新的研究中，DESI团队将光谱和BAO信息结合在一起，他们就可以确定过去110亿年间宇宙在7个不同时间点的膨胀率。DESI的结果基本与ΛCDM是一致的，但当把DESI第一年的结果与其他研究的数据相结合时，研究人员发现新的结果与ΛCDM的预测存在一些微妙的差异。他们发现，暗能量可能会随着时间的推移而减弱。当然，这个结果的置信水平没有达到可以宣布为发现的5σ结果。随着分析更多的数据，差异可能会消失，也可能不会。

图：暗能量决定了宇宙的终极命运。

但如果暗能量确实是在减弱，意味着什么呢？

事实上，宇宙的终极命运与暗能量息息相关。如果暗能量是常数，那么加速将无限地持续下去；如果暗能量随着时间增强，那么未来就连原子都会被撕裂；而如果暗能量随着时间减弱，那么宇宙最终将重新坍缩。因此，探索暗能量不仅是在破解当今物理学的一个重大谜题，也是在探究宇宙和我们人类的终极命运。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：李兆滢

审核：张双南 中国科学院高能物理研究所 研究员

出品：中国科协科普部

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