暗能量之谜：宇宙膨胀背后的力量是否可变？

作者：段跃初 黄湘红

在广袤无垠的宇宙中，存在着许多令人着迷且尚未被完全解开的谜团，而暗能量无疑是其中最引人深思的一个。一直以来，科学家们认为暗能量是宇宙中的一种恒定不变的力量，如同时间的前进一般可靠。然而，今年春天的新研究却带来了令人震惊的发现，暗能量似乎并非始终如一，这一结果如同在平静的科学湖面投下了一颗巨石，激起了层层波澜。

想象一下，我们如同坐在刚刚爆炸的烟花中心。烟花绽放时，火花四散，有的汇聚成炽热的细丝，有的则迅速消失在黑暗中。一段时间后，只剩下烟雾，这就如同宇宙的演变。当烟花的膨胀由化学反应推动时，宇宙的膨胀则源自于空旷空间本身的能量。从我们所处的位置观察，宇宙似乎在各个方向不断扩张，而且速度还在持续加快。

今年春天，科学界传出了一则重磅消息：暗能量，这一被认为是加速宇宙膨胀的神秘力量，可能存在问题。两项著名的暗能量调查——暗能量测量（DES）和暗能量光谱仪（DESI），以及第三组已有的数据共同揭示了这一奇异现象。DES 测量遥远的超新星，DESI 实验测量来自早期宇宙的星系和声波，而第三组件则测量宇宙微波背景（CMB）。当这些数据被综合分析时，结果令人瞠目结舌。

DESI 望远镜位于亚利桑那州的 Kitt Peak 上，它测量了约 1200 亿年前存在的数百万个星系的位置。天文学家将这些观测到的星系位置与基于暗能量预测的预期星系位置进行比较，却发现没有预期的扩散。当宇宙学家把 DESI 星系、DES 的超新星和宇宙微波背景结合起来时，更大的惊喜出现了：现实的宇宙地图开始与理论模型脱节。

这一发现意味着什么？如果新的结果是真实的，那么一直以来被认为不变的暗能量终究是可变的。这对于宇宙学来说，无疑是一个巨大的冲击。西班牙巴塞罗那大学宇宙科学研究所的理论宇宙学家 Licia Verde 表示：“如果这是真的，那将是一件大事。”但她也强调，如同往常一样，如此非同寻常的论断需要非同寻常的证据来支撑。

暗能量自被发现以来，一直被视为宇宙中的一种不变的力量。普林斯顿大学的宇宙学家保罗·J·斯坦哈特指出，只有在研究结果经得起仔细审查的情况下，这一发现才能够被确认为真实的。而目前，一切都还为时尚早。

要理解这一发现的潜在影响，我们需要回溯到爱因斯坦的时代。当爱因斯坦制定广义相对论时，他曾假设宇宙是均匀分布且静止不动的。然而，在当时，我们甚至还不知道存在其他星系，并且证据表明恒星并非均匀分布。在爱因斯坦的方程式中，引力和均匀性是不相容的，引力会导致不稳定。如果引力在弯曲的宇宙中占据主导地位，那么宇宙中的一切都应该聚集成一个巨大的团块，但实际情况并非如此。于是，爱因斯坦假设存在某种宇宙力来抵消引力，他将其称为“宇宙常数”，并用希腊字母 Lambda 来描述。

但在 1929 年，埃德温·哈勃发现宇宙并非静止，而是在不断膨胀。爱因斯坦因此放弃了这一持续的反作用力，并称之为“最大的错误”。然而，1998 年，亚当·G·里斯、扫罗·珀尔穆特和布赖恩·施密特的研究发现，在宇宙年轻时爆炸的超新星比预期的要暗淡，这意味着宇宙向外扩张的速度在不断加快，大概是因为存在一种无处不在且恒定不变的力量。于是，宇宙常数得以复活，科学家们认为其背后的力来自于空旷空间中的能量，称之为真空能量或暗能量。

自 1990 年代后期以来，所有的观察似乎都在证实这一设想。Lambda 如今已成为标准宇宙学模型的核心，该模型将暗能量与大量不可见的“冷暗物质”（CDM）的引力相结合，被称为 Lambda-CDM 模型。在这个模型中，大约 68%的宇宙由暗能量构成，27%是暗物质，而剩下的 5%则是我们能够看到和测量的一切，包括星系、恒星、甚至包括我们自身。像 DESI 这样的调查旨在精确测量暗能量，以深入了解其奇特之处。

然而，并非所有人都对 Lambda-CDM 模式感到满意。斯坦哈特就表示：“这似乎是一系列非常奇特的事情，唯一的优点是它用一个数字来描述。但这并不意味着就应该相信。”如果事实证明暗能量是时变的，那么这将为宇宙学带来诸多可能性。

自从 4 月 DESI 的调查结果和三维地图合并后，经济学家们变得愈发忙碌。到目前为止，还没有任何一个理论能够用其他非恒定的宇宙力来取代 Lambda。甚至在新发现之前，一些宇宙学家就倾向于寻找恒定暗能量的替代品，一方面是因为这一想法过于奇特——其他已知的力并非恒定不变，而是会随着时间、压力和其他因素而变化；另一方面，Lambda 引入其他物理理论显得有些荒谬。芝加哥大学的宇宙学家 Joshua A. Freeman 指出：“在量子理论中，如果计算空空间的能量，得到的并非一个明智的答案，而是无穷大。这是人们寻找替代品的一个原因，因为我们并不理解它为何会有这样的价值。”

对于新的暗能量，理论家们提出了好几种想法，其中大多数涉及一种类似流体的能量场，类似于赋予正常粒子质量的希格斯场。这些提议的暗能量场通常被称为“本质”，以古代首次想象的经典第五元素命名。这种能量场（也称为标量场）有多种工作方式，它能够产生我们所观察到的星系彼此被抛开、宇宙似乎在膨胀的结果，但不同之处在于，这种宇宙力是暂时的，而非永恒不变。

一些理论家倾向于经典理论，因为他们已经研究了一种潜在的更早版本的标量场，称为宇宙膨胀。这个场会在大爆炸后立即对宇宙产生影响，推动其成倍地膨胀，然后最终平静下来，以较慢的速度继续加速。里斯认为，现代暗能量背后的标量场就像“小通胀”。只要宇宙的物理空间存在能量，宇宙就会加速。这种暗能量场非常微弱，比希格斯场轻约 30 个数量级，并且是暂时的，如同宇宙膨胀一样。

一个流行的版本，最早由 Freeman 和他的合作者在 1995 年提出，被称为“解冻”或“缓慢滚动”暗能量。Perimeter 研究所的理论宇宙学家 Jessie Muir 表示，它对宇宙的影响与宇宙常数相似。她解释说：“它表现为空白空间具有某种内在的能量密度，但由于它在后来的宇宙中会发生变化，在以后的宇宙中可能会出现一些偏差。”

想象一下，一个球沿着山坡的一侧滚向一个浅的 U 型谷地。如果没有摩擦力，球就会向相反面滚动，然后来回摆动。球代表的场势描述了移动场势与宇宙密度或膨胀的关系是多么容易。这也是理解希格斯场的一种方法，在宇宙达到当前状态之前，希格斯场的早期可能经历过一些变化。一个类似但更重的场可能导致宇宙膨胀。Freeman 说，如果暗能量以同样的方式运作，那么就有先例可循。

“在我们所知道的（宇宙膨胀）加速度的唯一另外一个例子中，我们知道它不是暗能量，即常数。而是别的东西。”他说，“我一直觉得我们需要对当前宇宙加速膨胀的驱动因素保持开放的心态。”在 Freeman 的版本中，将球放在宇宙之初的山的一侧。球一开始被卡住，因为宇宙过于密集，它无法快速滚动。当宇宙膨胀，物质稀释时，球就会开始滚动。这被称为“解冻”暗能量模型，因为球体解冻并开始运动。Freeman 说：“这就像暗能量一样，但暗能量对宇宙膨胀的影响与它完全不变时不同。而且它看起来可能和 DESI、暗能量调查和 CMB 最近的数据显示的情况一模一样。”

除了上述理论，理论家们还在测试诸如“大反弹”之类的想法，这是一个大爆炸一次又一次发生的循环宇宙模型，以及广义相对论的变体——在极早期宇宙中或在不同尺度上引力表现不同的模型，还有其他各种可能性。

为了揭示暗能量，或者任何其他推动宇宙膨胀的力量，下一代新的天文台即将登场。由欧洲航天局运营的欧几里得空间望远镜于去年发射升空，将工作到 2030 年，绘制近三分之一天空的地图，记录暗物质和暗能量。美国宇航局未来的南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜将测量超过 10 亿个星系，深入研究暗能量。DES 的调查将持续到 2026 年。

对于 Lambda 的下降，宇宙学家需要达到一个五西格玛的信心水平，这意味着大约只有百万分之一的可能性，这些发现是错误或随机的结果。到目前为止，来自普朗克卫星的 DESI、DES 和宇宙微波背景结果显示了三西格玛的概率，即大约 0.3%的偶然事件发生的概率。虽然这听起来像是强有力的证据，但三西格玛结果在严格审查下可能会失败，因此五西格玛发现对于真正的科学发现是必不可少的。DESI 仍在继续工作，但该团队已经有一年的时间来研究银河系数据，Verde 表示，她的同事们正在全力以赴。

Jessie Muir 也在研究广义相对论和不同尺度的引力测试，她认为宇宙的现状将提供最佳线索。如果暗能量像本质一样是一种流体般的能量场，那么模型将预测宇宙如何随着时间的推移而膨胀和宇宙结构如何聚集之间的某种类型的关系。宇宙学家可以寻找膨胀和增长之间的相关性，比如星系团的形成，以便在广义相对论之外理解本质和引力。

就连正在研究 DESI 分析的 Verde 也对 Lambda-CDM 是否会被推翻持怀疑态度。“我真的很保守，但基于这一点，我是否愿意亲自将持续的黑暗能量抛出窗外——还没有，”她说，“现在我们需要继续观察，更好地理解它。”

里斯说，许多宇宙学家都在密切关注着 Lambda，但还没有为它下最终的定论。斯坦哈特认为，系统性错误可能在新发现中发挥作用，特别是当三种不同类型的数据结合起来得出一个全面的结论时。他说：“每个人都在尽力而为，但你应该带着一颗怀疑的心来对待它。”

如果 Lambda 能在某种程度上存活下来，那将是一个非常无聊的结局——也是一个在哲学上具有挑战性的结局。宇宙的未来将是寒冷、空旷、遥远和宁静的。膨胀会永远加速，直到原子本身被拉得太薄，以至于它们的中心无法支撑，它们就会崩溃。

但 Freeman 说，也许未来会比这更光明。“DESI 和 DES 的这些暗示告诉我们，要继续前进，”他补充道。

科学的探索永无止境，对于暗能量的研究仍在继续。每一个新的发现，每一次的质疑和验证，都推动着我们更接近宇宙的真相。在这浩瀚的宇宙中，还有无数的奥秘等待着我们去揭开。

与暗能量的发现对我们理解宇宙的演化产生了深远且多方面的影响：

1、它改变了我们对宇宙膨胀的认知。在暗能量被发现之前，人们普遍认为宇宙的膨胀速度会由于引力的作用而逐渐减缓。然而，暗能量的存在使得宇宙膨胀呈现出加速的态势，这完全颠覆了之前的预期，让我们认识到宇宙的演化可能比想象中更加复杂和动态。

2、暗能量的发现促使我们重新审视宇宙的组成成分。过去，我们主要关注可见物质和暗物质，而暗能量的发现意味着宇宙中存在着一种占据主导地位但我们知之甚少的成分。这使得我们不得不重新构建对宇宙物质和能量分布的理解，以及它们如何相互作用来塑造宇宙的演化历程。

3、暗能量的性质和变化对宇宙未来的命运具有决定性影响。如果暗能量持续增强，宇宙将以更快的速度膨胀，导致星系之间的距离越来越远，最终可能形成一个寒冷、空旷且孤立的宇宙。反之，如果暗能量的性质发生改变或者被证明并非恒定不变，那么宇宙的演化路径可能会有所不同，这为我们思考宇宙的最终归宿提供了新的可能性和挑战。

4、暗能量的研究也推动了理论物理学的发展。为了解释暗能量的起源和本质，科学家们提出了各种理论模型和假设，这促使物理学在微观和宏观层面进行更深入的探索，有望促进新的物理理论的诞生。

总之，暗能量的发现极大地拓展了我们对宇宙演化的理解，同时也为未来的科学研究提出了众多极具挑战性的问题和方向。