暗能量之謎：宇宙膨脹背后的力量是否可變？

作者：段躍初 黃湘紅

在廣袤無垠的宇宙中，存在著許多令人著迷且尚未被完全解開的謎團，而暗能量無疑是其中最引人深思的一個。一直以來，科學(xué)家們認(rèn)為暗能量是宇宙中的一種恒定不變的力量，如同時間的前進一般可靠。然而，今年春天的新研究卻帶來了令人震驚的發(fā)現(xiàn)，暗能量似乎并非始終如一，這一結(jié)果如同在平靜的科學(xué)湖面投下了一顆巨石，激起了層層波瀾。

想象一下，我們?nèi)缤趧倓偙ǖ臒熁ㄖ行摹熁ň`放時，火花四散，有的匯聚成熾熱的細(xì)絲，有的則迅速消失在黑暗中。一段時間后，只剩下煙霧，這就如同宇宙的演變。當(dāng)煙花的膨脹由化學(xué)反應(yīng)推動時，宇宙的膨脹則源自于空曠空間本身的能量。從我們所處的位置觀察，宇宙似乎在各個方向不斷擴張，而且速度還在持續(xù)加快。

今年春天，科學(xué)界傳出了一則重磅消息：暗能量，這一被認(rèn)為是加速宇宙膨脹的神秘力量，可能存在問題。兩項著名的暗能量調(diào)查——暗能量測量（DES）和暗能量光譜儀（DESI），以及第三組已有的數(shù)據(jù)共同揭示了這一奇異現(xiàn)象。DES 測量遙遠(yuǎn)的超新星，DESI 實驗測量來自早期宇宙的星系和聲波，而第三組件則測量宇宙微波背景（CMB）。當(dāng)這些數(shù)據(jù)被綜合分析時，結(jié)果令人瞠目結(jié)舌。

DESI 望遠(yuǎn)鏡位于亞利桑那州的 Kitt Peak 上，它測量了約 1200 億年前存在的數(shù)百萬個星系的位置。天文學(xué)家將這些觀測到的星系位置與基于暗能量預(yù)測的預(yù)期星系位置進行比較，卻發(fā)現(xiàn)沒有預(yù)期的擴散。當(dāng)宇宙學(xué)家把 DESI 星系、DES 的超新星和宇宙微波背景結(jié)合起來時，更大的驚喜出現(xiàn)了：現(xiàn)實的宇宙地圖開始與理論模型脫節(jié)。

這一發(fā)現(xiàn)意味著什么？如果新的結(jié)果是真實的，那么一直以來被認(rèn)為不變的暗能量終究是可變的。這對于宇宙學(xué)來說，無疑是一個巨大的沖擊。西班牙巴塞羅那大學(xué)宇宙科學(xué)研究所的理論宇宙學(xué)家 Licia Verde 表示：“如果這是真的，那將是一件大事。”但她也強調(diào)，如同往常一樣，如此非同尋常的論斷需要非同尋常的證據(jù)來支撐。

暗能量自被發(fā)現(xiàn)以來，一直被視為宇宙中的一種不變的力量。普林斯頓大學(xué)的宇宙學(xué)家保羅·J·斯坦哈特指出，只有在研究結(jié)果經(jīng)得起仔細(xì)審查的情況下，這一發(fā)現(xiàn)才能夠被確認(rèn)為真實的。而目前，一切都還為時尚早。

要理解這一發(fā)現(xiàn)的潛在影響，我們需要回溯到愛因斯坦的時代。當(dāng)愛因斯坦制定廣義相對論時，他曾假設(shè)宇宙是均勻分布且靜止不動的。然而，在當(dāng)時，我們甚至還不知道存在其他星系，并且證據(jù)表明恒星并非均勻分布。在愛因斯坦的方程式中，引力和均勻性是不相容的，引力會導(dǎo)致不穩(wěn)定。如果引力在彎曲的宇宙中占據(jù)主導(dǎo)地位，那么宇宙中的一切都應(yīng)該聚集成一個巨大的團塊，但實際情況并非如此。于是，愛因斯坦假設(shè)存在某種宇宙力來抵消引力，他將其稱為“宇宙常數(shù)”，并用希臘字母 Lambda 來描述。

但在 1929 年，埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙并非靜止，而是在不斷膨脹。愛因斯坦因此放棄了這一持續(xù)的反作用力，并稱之為“最大的錯誤”。然而，1998 年，亞當(dāng)·G·里斯、掃羅·珀爾穆特和布賴恩·施密特的研究發(fā)現(xiàn)，在宇宙年輕時爆炸的超新星比預(yù)期的要暗淡，這意味著宇宙向外擴張的速度在不斷加快，大概是因為存在一種無處不在且恒定不變的力量。于是，宇宙常數(shù)得以復(fù)活，科學(xué)家們認(rèn)為其背后的力來自于空曠空間中的能量，稱之為真空能量或暗能量。

自 1990 年代后期以來，所有的觀察似乎都在證實這一設(shè)想。Lambda 如今已成為標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的核心，該模型將暗能量與大量不可見的“冷暗物質(zhì)”（CDM）的引力相結(jié)合，被稱為 Lambda-CDM 模型。在這個模型中，大約 68%的宇宙由暗能量構(gòu)成，27%是暗物質(zhì)，而剩下的 5%則是我們能夠看到和測量的一切，包括星系、恒星、甚至包括我們自身。像 DESI 這樣的調(diào)查旨在精確測量暗能量，以深入了解其奇特之處。

然而，并非所有人都對 Lambda-CDM 模式感到滿意。斯坦哈特就表示：“這似乎是一系列非常奇特的事情，唯一的優(yōu)點是它用一個數(shù)字來描述。但這并不意味著就應(yīng)該相信?！比绻聦嵶C明暗能量是時變的，那么這將為宇宙學(xué)帶來諸多可能性。

自從 4 月 DESI 的調(diào)查結(jié)果和三維地圖合并后，經(jīng)濟學(xué)家們變得愈發(fā)忙碌。到目前為止，還沒有任何一個理論能夠用其他非恒定的宇宙力來取代 Lambda。甚至在新發(fā)現(xiàn)之前，一些宇宙學(xué)家就傾向于尋找恒定暗能量的替代品，一方面是因為這一想法過于奇特——其他已知的力并非恒定不變，而是會隨著時間、壓力和其他因素而變化；另一方面，Lambda 引入其他物理理論顯得有些荒謬。芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家 Joshua A. Freeman 指出：“在量子理論中，如果計算空空間的能量，得到的并非一個明智的答案，而是無窮大。這是人們尋找替代品的一個原因，因為我們并不理解它為何會有這樣的價值?！?/p>

對于新的暗能量，理論家們提出了好幾種想法，其中大多數(shù)涉及一種類似流體的能量場，類似于賦予正常粒子質(zhì)量的希格斯場。這些提議的暗能量場通常被稱為“本質(zhì)”，以古代首次想象的經(jīng)典第五元素命名。這種能量場（也稱為標(biāo)量場）有多種工作方式，它能夠產(chǎn)生我們所觀察到的星系彼此被拋開、宇宙似乎在膨脹的結(jié)果，但不同之處在于，這種宇宙力是暫時的，而非永恒不變。

一些理論家傾向于經(jīng)典理論，因為他們已經(jīng)研究了一種潛在的更早版本的標(biāo)量場，稱為宇宙膨脹。這個場會在大爆炸后立即對宇宙產(chǎn)生影響，推動其成倍地膨脹，然后最終平靜下來，以較慢的速度繼續(xù)加速。里斯認(rèn)為，現(xiàn)代暗能量背后的標(biāo)量場就像“小通脹”。只要宇宙的物理空間存在能量，宇宙就會加速。這種暗能量場非常微弱，比希格斯場輕約 30 個數(shù)量級，并且是暫時的，如同宇宙膨脹一樣。

一個流行的版本，最早由 Freeman 和他的合作者在 1995 年提出，被稱為“解凍”或“緩慢滾動”暗能量。Perimeter 研究所的理論宇宙學(xué)家 Jessie Muir 表示，它對宇宙的影響與宇宙常數(shù)相似。她解釋說：“它表現(xiàn)為空白空間具有某種內(nèi)在的能量密度，但由于它在后來的宇宙中會發(fā)生變化，在以后的宇宙中可能會出現(xiàn)一些偏差?！?/p>

想象一下，一個球沿著山坡的一側(cè)滾向一個淺的 U 型谷地。如果沒有摩擦力，球就會向相反面滾動，然后來回擺動。球代表的場勢描述了移動場勢與宇宙密度或膨脹的關(guān)系是多么容易。這也是理解希格斯場的一種方法，在宇宙達(dá)到當(dāng)前狀態(tài)之前，希格斯場的早期可能經(jīng)歷過一些變化。一個類似但更重的場可能導(dǎo)致宇宙膨脹。Freeman 說，如果暗能量以同樣的方式運作，那么就有先例可循。

“在我們所知道的（宇宙膨脹）加速度的唯一另外一個例子中，我們知道它不是暗能量，即常數(shù)。而是別的東西?！彼f，“我一直覺得我們需要對當(dāng)前宇宙加速膨脹的驅(qū)動因素保持開放的心態(tài)?！痹?Freeman 的版本中，將球放在宇宙之初的山的一側(cè)。球一開始被卡住，因為宇宙過于密集，它無法快速滾動。當(dāng)宇宙膨脹，物質(zhì)稀釋時，球就會開始滾動。這被稱為“解凍”暗能量模型，因為球體解凍并開始運動。Freeman 說：“這就像暗能量一樣，但暗能量對宇宙膨脹的影響與它完全不變時不同。而且它看起來可能和 DESI、暗能量調(diào)查和 CMB 最近的數(shù)據(jù)顯示的情況一模一樣?！?/p>

除了上述理論，理論家們還在測試諸如“大反彈”之類的想法，這是一個大爆炸一次又一次發(fā)生的循環(huán)宇宙模型，以及廣義相對論的變體——在極早期宇宙中或在不同尺度上引力表現(xiàn)不同的模型，還有其他各種可能性。

為了揭示暗能量，或者任何其他推動宇宙膨脹的力量，下一代新的天文臺即將登場。由歐洲航天局運營的歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡于去年發(fā)射升空，將工作到 2030 年，繪制近三分之一天空的地圖，記錄暗物質(zhì)和暗能量。美國宇航局未來的南?！じ窭俳z·羅曼太空望遠(yuǎn)鏡將測量超過 10 億個星系，深入研究暗能量。DES 的調(diào)查將持續(xù)到 2026 年。

對于 Lambda 的下降，宇宙學(xué)家需要達(dá)到一個五西格瑪?shù)男判乃剑@意味著大約只有百萬分之一的可能性，這些發(fā)現(xiàn)是錯誤或隨機的結(jié)果。到目前為止，來自普朗克衛(wèi)星的 DESI、DES 和宇宙微波背景結(jié)果顯示了三西格瑪?shù)母怕?，即大約 0.3%的偶然事件發(fā)生的概率。雖然這聽起來像是強有力的證據(jù)，但三西格瑪結(jié)果在嚴(yán)格審查下可能會失敗，因此五西格瑪發(fā)現(xiàn)對于真正的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是必不可少的。DESI 仍在繼續(xù)工作，但該團隊已經(jīng)有一年的時間來研究銀河系數(shù)據(jù)，Verde 表示，她的同事們正在全力以赴。

Jessie Muir 也在研究廣義相對論和不同尺度的引力測試，她認(rèn)為宇宙的現(xiàn)狀將提供最佳線索。如果暗能量像本質(zhì)一樣是一種流體般的能量場，那么模型將預(yù)測宇宙如何隨著時間的推移而膨脹和宇宙結(jié)構(gòu)如何聚集之間的某種類型的關(guān)系。宇宙學(xué)家可以尋找膨脹和增長之間的相關(guān)性，比如星系團的形成，以便在廣義相對論之外理解本質(zhì)和引力。

就連正在研究 DESI 分析的 Verde 也對 Lambda-CDM 是否會被推翻持懷疑態(tài)度?！拔艺娴暮鼙Ｊ?，但基于這一點，我是否愿意親自將持續(xù)的黑暗能量拋出窗外——還沒有，”她說，“現(xiàn)在我們需要繼續(xù)觀察，更好地理解它?！?/p>

里斯說，許多宇宙學(xué)家都在密切關(guān)注著 Lambda，但還沒有為它下最終的定論。斯坦哈特認(rèn)為，系統(tǒng)性錯誤可能在新發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮作用，特別是當(dāng)三種不同類型的數(shù)據(jù)結(jié)合起來得出一個全面的結(jié)論時。他說：“每個人都在盡力而為，但你應(yīng)該帶著一顆懷疑的心來對待它?！?/p>

如果 Lambda 能在某種程度上存活下來，那將是一個非常無聊的結(jié)局——也是一個在哲學(xué)上具有挑戰(zhàn)性的結(jié)局。宇宙的未來將是寒冷、空曠、遙遠(yuǎn)和寧靜的。膨脹會永遠(yuǎn)加速，直到原子本身被拉得太薄，以至于它們的中心無法支撐，它們就會崩潰。

但 Freeman 說，也許未來會比這更光明?！癉ESI 和 DES 的這些暗示告訴我們，要繼續(xù)前進，”他補充道。

科學(xué)的探索永無止境，對于暗能量的研究仍在繼續(xù)。每一個新的發(fā)現(xiàn)，每一次的質(zhì)疑和驗證，都推動著我們更接近宇宙的真相。在這浩瀚的宇宙中，還有無數(shù)的奧秘等待著我們?nèi)ソ议_。

與暗能量的發(fā)現(xiàn)對我們理解宇宙的演化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)且多方面的影響：

1、它改變了我們對宇宙膨脹的認(rèn)知。在暗能量被發(fā)現(xiàn)之前，人們普遍認(rèn)為宇宙的膨脹速度會由于引力的作用而逐漸減緩。然而，暗能量的存在使得宇宙膨脹呈現(xiàn)出加速的態(tài)勢，這完全顛覆了之前的預(yù)期，讓我們認(rèn)識到宇宙的演化可能比想象中更加復(fù)雜和動態(tài)。

2、暗能量的發(fā)現(xiàn)促使我們重新審視宇宙的組成成分。過去，我們主要關(guān)注可見物質(zhì)和暗物質(zhì)，而暗能量的發(fā)現(xiàn)意味著宇宙中存在著一種占據(jù)主導(dǎo)地位但我們知之甚少的成分。這使得我們不得不重新構(gòu)建對宇宙物質(zhì)和能量分布的理解，以及它們?nèi)绾蜗嗷プ饔脕硭茉煊钪娴难莼瘹v程。

3、暗能量的性質(zhì)和變化對宇宙未來的命運具有決定性影響。如果暗能量持續(xù)增強，宇宙將以更快的速度膨脹，導(dǎo)致星系之間的距離越來越遠(yuǎn)，最終可能形成一個寒冷、空曠且孤立的宇宙。反之，如果暗能量的性質(zhì)發(fā)生改變或者被證明并非恒定不變，那么宇宙的演化路徑可能會有所不同，這為我們思考宇宙的最終歸宿提供了新的可能性和挑戰(zhàn)。

4、暗能量的研究也推動了理論物理學(xué)的發(fā)展。為了解釋暗能量的起源和本質(zhì)，科學(xué)家們提出了各種理論模型和假設(shè)，這促使物理學(xué)在微觀和宏觀層面進行更深入的探索，有望促進新的物理理論的誕生。

總之，暗能量的發(fā)現(xiàn)極大地拓展了我們對宇宙演化的理解，同時也為未來的科學(xué)研究提出了眾多極具挑戰(zhàn)性的問題和方向。