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，科學家們認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現，暗能量似乎并非始終如一，這一結果如同在平靜的科學湖面投下了一顆巨石，激起了層層波瀾。

想象一下，我們如同坐在剛剛爆炸的煙花中心。煙花綻放時，火花四散，有的匯聚成熾熱的細絲，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。當煙花的膨脹由化學反應推動時，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，而且速度還在持續加快。

今年春天，科學界傳出了一則重磅消息：暗能量，這一被認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查——暗能量測量（DES）和暗能量光譜儀（DESI），以及第三組已有的數據共同揭示了這一奇異現象。DES 測量遙遠的超新星，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）。當這些數據被綜合分析時，結果令人瞠目結舌。

DESI 望遠鏡位于亞利桑那州的 Kitt Peak 上，它測量了約 1200 億年前存在的數百萬個星系的位置。天文學家將這些觀測到的星系位置與基于暗能量預測的預期星系位置進行比較，卻發現沒有預期的擴散。當宇宙學家把 DESI 星系、DES 的超新星和宇宙微波背景結合起來時，更大的驚喜出現了：現實的宇宙地圖開始與理論模型脫節。

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

暗能量自被發現以來，一直被視為宇宙中的一種不變的力量。普林斯頓大學的宇宙學家保羅·J·斯坦哈特指出，只有在研究結果經得起仔細審查的情況下，這一發現才能夠被確認為真實的。而目前，一切都還為時尚早。

要理解這一發現的潛在影響，我們需要回溯到愛因斯坦的時代。當愛因斯坦制定廣義相對論時，他曾假設宇宙是均勻分布且靜止不動的。然而，在當時，我們甚至還不知道存在其他星系，并且證據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，引力會導致不穩定。如果引力在彎曲的宇宙中占據主導地位，那么宇宙中的一切都應該聚集成一個巨大的團塊，但實際情況并非如此。于是，愛因斯坦假設存在某種宇宙力來抵消引力，他將其稱為“宇宙常數”，并用希臘字母 Lambda 來描述。

但在 1929 年，埃德溫·哈勃發現宇宙并非靜止，而是在不斷膨脹。愛因斯坦因此放棄了這一持續的反作用力，并稱之為“最大的錯誤”。然而，1998 年，亞當·G·里斯、掃羅·珀爾穆特和布賴恩·施密特的研究發現，在宇宙年輕時爆炸的超新星比預期的要暗淡，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，宇宙常數得以復活，科學家們認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想。Lambda 如今已成為標準宇宙學模型的核心，該模型將暗能量與大量不可見的“冷暗物質”（CDM）的引力相結合，被稱為 Lambda-CDM 模型。在這個模型中，大約 68%的宇宙由暗能量構成，27%是暗物質，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，唯一的優點是它用一個數字來描述。但這并不意味著就應該相信?！比绻聦嵶C明暗能量是時變的，那么這將為宇宙學帶來諸多可能性。

自從 4 月 DESI 的調查結果和三維地圖合并后，經濟學家們變得愈發忙碌。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。甚至在新發現之前，一些宇宙學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。芝加哥大學的宇宙學家 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。”

對于新的暗能量，理論家們提出了好幾種想法，其中大多數涉及一種類似流體的能量場，類似于賦予正常粒子質量的希格斯場。這些提議的暗能量場通常被稱為“本質”，以古代首次想象的經典第五元素命名。這種能量場（也稱為標量場）有多種工作方式，它能夠產生我們所觀察到的星系彼此被拋開、宇宙似乎在膨脹的結果，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典理論，因為他們已經研究了一種潛在的更早版本的標量場，稱為宇宙膨脹。這個場會在大爆炸后立即對宇宙產生影響，推動其成倍地膨脹，然后最終平靜下來，以較慢的速度繼續加速。里斯認為，現代暗能量背后的標量場就像“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家 Jessie Muir 表示，它對宇宙的影響與宇宙常數相似。她解釋說：“它表現為空白空間具有某種內在的能量密度，但由于它在后來的宇宙中會發生變化，在以后的宇宙中可能會出現一些偏差。”

想象一下，一個球沿著山坡的一側滾向一個淺的 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系是多么容易。這也是理解希格斯場的一種方法，在宇宙達到當前狀態之前，希格斯場的早期可能經歷過一些變化。一個類似但更重的場可能導致宇宙膨脹。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。而是別的東西。”他說，“我一直覺得我們需要對當前宇宙加速膨脹的驅動因素保持開放的心態?！痹?Freeman 的版本中，將球放在宇宙之初的山的一側。球一開始被卡住，因為宇宙過于密集，它無法快速滾動。當宇宙膨脹，物質稀釋時，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、暗能量調查和 CMB 最近的數據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生的循環宇宙模型，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鏡于去年發射升空，將工作到 2030 年，繪制近三分之一天空的地圖，記錄暗物質和暗能量。美國宇航局未來的南?！じ窭俳z·羅曼太空望遠鏡將測量超過 10 億個星系，深入研究暗能量。DES 的調查將持續到 2026 年。

對于 Lambda 的下降，宇宙學家需要達到一個五西格瑪的信心水平，這意味著大約只有百萬分之一的可能性，這些發現是錯誤或隨機的結果。到目前為止，來自普朗克衛星的 DESI、DES 和宇宙微波背景結果顯示了三西格瑪的概率，即大約 0.3%的偶然事件發生的概率。雖然這聽起來像是強有力的證據，但三西格瑪結果在嚴格審查下可能會失敗，因此五西格瑪發現對于真正的科學發現是必不可少的。DESI 仍在繼續工作，但該團隊已經有一年的時間來研究銀河系數據，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，她認為宇宙的現狀將提供最佳線索。如果暗能量像本質一樣是一種流體般的能量場，那么模型將預測宇宙如何隨著時間的推移而膨脹和宇宙結構如何聚集之間的某種類型的關系。宇宙學家可以尋找膨脹和增長之間的相關性，比如星系團的形成，以便在廣義相對論之外理解本質和引力。

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度?！拔艺娴暮鼙Ｊ兀谶@一點，我是否愿意親自將持續的黑暗能量拋出窗外——還沒有，”她說，“現在我們需要繼續觀察，更好地理解它?！?/p>

里斯說，許多宇宙學家都在密切關注著 Lambda，但還沒有為它下最終的定論。斯坦哈特認為，系統性錯誤可能在新發現中發揮作用，特別是當三種不同類型的數據結合起來得出一個全面的結論時。他說：“每個人都在盡力而為，但你應該帶著一顆懷疑的心來對待它。”

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局——也是一個在哲學上具有挑戰性的結局。宇宙的未來將是寒冷、空曠、遙遠和寧靜的。膨脹會永遠加速，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。“DESI 和 DES 的這些暗示告訴我們，要繼續前進，”他補充道。

科學的探索永無止境，對于暗能量的研究仍在繼續。每一個新的發現，每一次的質疑和驗證，都推動著我們更接近宇宙的真相。在這浩瀚的宇宙中，還有無數的奧秘等待著我們去揭開。

與暗能量的發現對我們理解宇宙的演化產生了深遠且多方面的影響：

1、它改變了我們對宇宙膨脹的認知。在暗能量被發現之前，人們普遍認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出加速的態勢，這完全顛覆了之前的預期，讓我們認識到宇宙的演化可能比想象中更加復雜和動態。

2、暗能量的發現促使我們重新審視宇宙的組成成分。過去，我們主要關注可見物質和暗物質，而暗能量的發現意味著宇宙中存在著一種占據主導地位但我們知之甚少的成分。這使得我們不得不重新構建對宇宙物質和能量分布的理解，以及它們如何相互作用來塑造宇宙的演化歷程。

3、暗能量的性質和變化對宇宙未來的命運具有決定性影響。如果暗能量持續增強，宇宙將以更快的速度膨脹，導致星系之間的距離越來越遠，最終可能形成一個寒冷、空曠且孤立的宇宙。反之，如果暗能量的性質發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。

4、暗能量的研究也推動了理論物理學的發展。為了解釋暗能量的起源和本質，科學家們提出了各種理論模型和假設，這促使物理學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，暗能量的發現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研究提出了眾多極具挑戰性的問題和方向。

來源: 科普文迅