作者 | 李兆瀅 劍橋大學(xué)工程學(xué)博士

什么是暗能量？這是當(dāng)今物理學(xué)最大的謎團(tuán)之一。天文學(xué)家認(rèn)為暗能量是導(dǎo)致宇宙正在加速膨脹的幕后推手，但沒(méi)人有知道暗能量的本質(zhì)究竟是什么。今年4月初，研究人員發(fā)布了暗能量光譜儀（DESI）的初步結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)，有跡象表明，隨著時(shí)間的推移，暗能量似乎在減弱！

因參與發(fā)現(xiàn)暗能量而榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的亞當(dāng)·里斯表示：“如果這是真的，這將是25年來(lái)我們獲得的關(guān)于暗能量本質(zhì)的第一個(gè)真正的線(xiàn)索。” 要想了解暗能量，我們得從廣義相對(duì)論開(kāi)始說(shuō)起。

圖：基于暗能量光譜儀的第一年數(shù)據(jù)，研究人員以前所未有的精度繪制了迄今為止最大的宇宙3D圖，這使得他們能夠確定宇宙的膨脹史。（圖/Claire Lamman/DESI collaboration; custom colormap package by cmastro）

膨脹，加速膨脹！

1915年，愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論，這個(gè)全新的引力理論告訴我們，引力的本質(zhì)是幾何的，是時(shí)空的彎曲使物體運(yùn)動(dòng)，就好像物體受到了力的影響一樣。例如，像太陽(yáng)這樣的大質(zhì)量天體就會(huì)扭曲時(shí)空的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致地球繞其旋轉(zhuǎn)。到了1917年，當(dāng)愛(ài)因斯坦用廣義相對(duì)論來(lái)研究整個(gè)宇宙時(shí)，他發(fā)現(xiàn)宇宙是不穩(wěn)定的。這個(gè)結(jié)論令他感到不安，因?yàn)樗J(rèn)為宇宙應(yīng)該是靜態(tài)的才對(duì)。于是，他在廣義相對(duì)論的核心方程中引入了所謂的宇宙學(xué)常數(shù)。這個(gè)常數(shù)的作用是產(chǎn)生一種將空間向外推的斥力，它能平衡向內(nèi)的引力，使宇宙保持靜態(tài)。

圖：愛(ài)因斯坦在方程中引入宇宙學(xué)常數(shù)。（圖：新原理研究所）

但宇宙真的是靜態(tài)的嗎？

1922年，弗里德曼在研究了廣義相對(duì)論后提出了宇宙正在膨脹的可能性。1927年，勒梅特基于廣義相對(duì)論進(jìn)行了獨(dú)立的計(jì)算，得出了與弗里德曼一樣的結(jié)論。到了1929年，哈勃用觀測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了，宇宙的確不是靜態(tài)的，而是在膨脹！這也意味著，愛(ài)因斯坦引入“宇宙學(xué)常數(shù)”似乎是一個(gè)錯(cuò)誤，但事實(shí)真是如此嗎？

時(shí)間快進(jìn)到1998年，兩個(gè)獨(dú)立的研究小組在測(cè)量了宇宙的膨脹率后發(fā)現(xiàn)，宇宙不只在膨脹，而是在加速膨脹！這是一個(gè)非常令人震驚的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榭茖W(xué)家一直認(rèn)為宇宙的膨脹會(huì)因?yàn)橐Φ淖饔枚饾u減慢，但事實(shí)卻完全相反。而驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹的幕后推手，就被稱(chēng)為暗能量。

圖：暗能量。（圖片素材／The Royal Swedish Academy of Sciences）

那么，暗能量會(huì)是什么呢？理論學(xué)家很快就提出，暗能量很可能就是宇宙學(xué)常數(shù)，或者等價(jià)的說(shuō)是真空能。根據(jù)量子物理學(xué)，真空并不空，而是充滿(mǎn)了量子漲落——虛粒子對(duì)會(huì)不斷地出現(xiàn)，但又在瞬間湮滅消失。這些虛粒子對(duì)的出現(xiàn)和消失是由充滿(mǎn)宇宙并向外推動(dòng)空間的真空能造成的。今天，宇宙學(xué)常數(shù)已經(jīng)成為了宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)重要部分。宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型被稱(chēng)為ΛCDM，

其中Λ表示宇宙學(xué)常數(shù)，也就是暗能量，CDM代表的則是冷暗物質(zhì)——暗物質(zhì)的本質(zhì)是宇宙學(xué)的另一大謎題。

根據(jù)ΛCDM的預(yù)測(cè)，暗能量的強(qiáng)度不會(huì)隨時(shí)間而改變。如果我們想要驗(yàn)證這一預(yù)測(cè)，就需要測(cè)量宇宙在不同時(shí)期的膨脹率。天文學(xué)家可以通過(guò)測(cè)量一種被稱(chēng)為“重子聲學(xué)振蕩”的現(xiàn)象來(lái)探究宇宙的膨脹率。那什么是重子聲學(xué)振蕩呢？

早期宇宙的回聲

在宇宙大爆炸之后的最初那段歲月中，普通物質(zhì)和輻射緊密地結(jié)合在一起，形成了一個(gè)由粒子和光子組成的熾熱的、稠密的等離子體。這些粒子中有氫核和氦核，它們統(tǒng)稱(chēng)為重子。在最初的混亂狀態(tài)中，有些區(qū)域的密度超過(guò)了其他的區(qū)域，所以這些密度高的區(qū)域在引力的作用下會(huì)吸引周?chē)牡入x子體。然而，這些由引力引起的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到光子產(chǎn)生的壓力的抵抗，從而將物質(zhì)推開(kāi)。引力和壓力之間的相互作用產(chǎn)生了攜帶物質(zhì)的聲波——它們會(huì)以氣泡的形式向外擴(kuò)散，在等離子體中泛起漣漪。

在大爆炸后的38萬(wàn)年，宇宙已經(jīng)冷卻到足以使中性原子形成，光子也開(kāi)始自由地在宇宙中傳播。這就意味著不再有輻射壓力來(lái)對(duì)抗引力，因此，漣漪基本上被凍在原地。在接下來(lái)數(shù)億年的時(shí)間里，引力的作用使物質(zhì)開(kāi)始聚集，形成了第一批恒星和星系，沿著漣漪形成的星系要比其他地方多一些。

圖：重子聲學(xué)振蕩是測(cè)量宇宙膨脹的標(biāo)準(zhǔn)尺。

隨著宇宙膨脹，被凍住的漣漪也會(huì)不斷延伸，增加了星系之間的距離。天文學(xué)家把星系大尺度分布中的漣漪稱(chēng)為重子聲學(xué)振蕩（BAO）。BAO可以作為測(cè)量宇宙的標(biāo)準(zhǔn)尺，所以通過(guò)繪制在宇宙不同時(shí)間段的BAO氣泡的大小，就可以測(cè)量宇宙的膨脹史。

暗能量決定宇宙命運(yùn)

在最新的研究中，DESI團(tuán)隊(duì)將光譜和BAO信息結(jié)合在一起，他們就可以確定過(guò)去110億年間宇宙在7個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的膨脹率。DESI的結(jié)果基本與ΛCDM是一致的，但當(dāng)把DESI第一年的結(jié)果與其他研究的數(shù)據(jù)相結(jié)合時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)新的結(jié)果與ΛCDM的預(yù)測(cè)存在一些微妙的差異。他們發(fā)現(xiàn)，暗能量可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而減弱。當(dāng)然，這個(gè)結(jié)果的置信水平?jīng)]有達(dá)到可以宣布為發(fā)現(xiàn)的5σ結(jié)果。隨著分析更多的數(shù)據(jù)，差異可能會(huì)消失，也可能不會(huì)。

圖：暗能量決定了宇宙的終極命運(yùn)。

但如果暗能量確實(shí)是在減弱，意味著什么呢？

事實(shí)上，宇宙的終極命運(yùn)與暗能量息息相關(guān)。如果暗能量是常數(shù)，那么加速將無(wú)限地持續(xù)下去；如果暗能量隨著時(shí)間增強(qiáng)，那么未來(lái)就連原子都會(huì)被撕裂；而如果暗能量隨著時(shí)間減弱，那么宇宙最終將重新坍縮。因此，探索暗能量不僅是在破解當(dāng)今物理學(xué)的一個(gè)重大謎題，也是在探究宇宙和我們?nèi)祟?lèi)的終極命運(yùn)。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：李兆瀅

審核：張雙南 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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