暗能量理论可能出了大问题

李威/编译

科学家可能发现，他们认识暗能量这种神秘宇宙力量的理论存在重大缺陷。

这对宇宙的命运倒可能是个好消息。

一群天文学家正在开展迄今为止对宇宙历史最大规模、最精确的调查研究。他们在2024年4月对外宣布，可能发现了当前暗物质理论中的一个重大缺陷——暗能量是一种加速宇宙膨胀的神秘力量。

按照之前的主流观点，无论是现在还是过去，暗能量都是宇宙中的一股不变的力量。然而，最新的数据表明，暗能量其实也在变化，会随着时间的推移变强或变弱，甚至会反转乃至消失。

约翰霍普金斯大学天文学家、巴尔的摩空间望远镜科学研究所研究员亚当 · 里斯（Adam Riess）说：“用拜登总统的话说，这可是件大事。”里斯因为发现暗能量与另外两位天文学家分享了2011年诺贝尔物理学奖，但他并没有参与事关暗能量的这项新研究。他表示：“这可能是过去25年内，我们获得的有关暗能量本质的第一条真实线索。”

要是这个结论得到证实，天文学家——以及我们所有人——就能摆脱那个存在已久的关于宇宙终极命运的可怕预言。这个预言就是，如果暗能量对宇宙的作用不随时间的推移发生变化，那么它最终会让所有恒星、所有星系彼此无限远离，连原子都有可能因此撕裂，耗尽宇宙所有的生命、光、能量和思想，宇宙因此沦落至永恒的寂静灾难。相反，如果暗能量随时间的推移发生变化，那就意味着宇宙的未来要比那个大寂静的结局丰富多彩。

这里的关键词是“或许”和“可能”。这项新发现有大约1/400的概率只是统计学上的意外，在科学上，这种不确定度称为3西格玛，远低于确证某项发现的黄金标准5西格玛：1/17 000 000。在物理学历史上，当出现更多数据或对数据的更好解释时，即便是5西格玛的事件也有可能被证伪。

这个消息来自这个暗物质项目的第一份进展报告，而这份进展报告则是由一个名为暗能量光谱仪（DESI）的大型国际合作组织以一系列论文的形式发表的。这个组织刚刚启动了一项时长5年的计划，目标是创建一张横跨110亿年且涉及4000万个星系位置和速度的三维地圖。根据第一年观测结果绘制的第一张地图，只包含了600万个星系。相关结果2024年4月发表在于加利福尼亚萨克拉门托召开的美国物理学会（APS）的一次会议上以及于意大利召开的莫里翁大会上。

“到目前为止，我们看到的现象基本与我们描述宇宙的最佳模型吻合，但我们现在也同时看到了一些表明暗能量随时间演化的可能很有些意思的差异。”DESI主管迈克尔 · 列维（Michael Levi）在负责管理这个项目的美国劳伦斯伯克利国家实验室发布的一份声明中说。

劳伦斯伯克利实验室的天体物理学家、DESI项目发言人娜塔莉 · 帕兰克-德拉布鲁尔（Nathalie Palanque-Delabrouille）在一次采访中说，他们这个团队原本并没有期待这么快就能有所斩获。按计划，第一年的观测结果只是为了确认我们现在已经知道的一些事实。她说：“我们之前认为，我们会从根本上证实标准模型的有效性。”

然而，迎面而来的是未知。

这些科学家把他们得到的地图同其他宇宙学数据结合起来研究后，惊讶地发现，结果与原本可靠的标准宇宙模型（认为暗能量永恒不变）差异颇大。如果暗能量也在不断变化，那才更加符合他们得到的数据。

帕兰克-德拉布鲁尔博士说：“这肯定不只是一个奇怪的现象，我更愿意称它是一个暗示。没错，现在还不能称其为证据，但真的很有意思。”

不过，宇宙学家已经在相当严肃地看待这个暗示了。

领导宇宙膨胀测量项目的芝加哥大学天体物理学家温迪 · 弗里德曼（Wendy Freedman）称赞DESI的这项新研究获取了“出色的数据”。她说：“这个结果为我们进一步认识暗能量打开了一扇潜在的窗户。暗能量是宇宙中占主导地位的成分，同时也是宇宙学中最大的谜团。因此，他们的发现相当令人兴奋。”

第一个提出“暗能量”这个术语的芝加哥大学荣休教授迈克尔 · 特纳（Michael Turner）在一封电子邮件中说：“虽然以组合数据集的方式得到的结果可能会有误导性，而且这些也只是DESI项目得到的初期结果，但它们的确有可能证明暗能量并非永恒不变。这是自20多年前我们确认宇宙正加速膨胀以来，我听到的最好的消息。”

1998年，两个互相竞争的天文学家团队（其中一个就是里斯博士领导的）发现，宇宙膨胀正在加速，而非减慢——此前，大多数天文学家认为宇宙正在减速膨胀——从而让暗能量登上了舞台。最初的观测结果似乎表明，暗能量的作用正像是那个著名的蒙混因子——用希腊字母λ表示。当初，爱因斯坦为了解释宇宙为什么不会因为自身引力而坍缩才在他的宇宙方程中加入了这个因子，但他后来称这是他犯的最大的一个错误。

然而，爱因斯坦的悔恨可能来得太早了。正如爱因斯坦在方程中对λ的使用表明的那样，λ是空间本身的一种属性：随着宇宙膨胀，空间就越多，暗能量也就越多，从而让恒星、星系以及宇宙中的一切物质越发彼此疏离，并最终导致一个毫无光明的失控宇宙结局。

标准宇宙模型就是我们熟知的L.C.D.M.，暗物质在其中也占有一席之地。按照这个模型，宇宙的70%是暗能量（λ），25%是冷暗物质（各种缓慢移动的奇异粒子的组合），5%是原子物质。就目前的情况来说，詹姆斯 · 韦布空间望远镜的观测结果已经动摇了这个模型，但还没有彻底推翻。不过，如果暗能量并不像宇宙模型假设的那样永恒不变，情况又怎么样呢？

争论的焦点在于一个叫作w的参数，它表征的是暗能量的密度或者说强度。在爱因斯坦的暗能量版本中，这个数字终整个宇宙一生都是常数，值为-1。在过去25年里，宇宙学家在他们的模型中用的也一直是这个值。

然而，这个暗能量版本只是最简单的一个。帕兰克-德拉布鲁尔博士说：“借助DESI，我们现在能够获取相当高的精确度，足以让我们提出比那个简单模型更复杂的理论，以查证暗能量密度是否随时间改变，是否随时间的推移有波动和演化。”

按现在的计划，DESI项目前后将历时14年，旨在通过测量宇宙在过去不同时间点的膨胀速度测试暗能量的稳定性。为此，科学家在美国基特峰国家天文台安装了一架配备了5000个光纤探测器的望远镜，它能同时对诸多星系做光谱分析并且得到它们远离地球的速度。

至于距离的测量，研究人员利用了星系在宇宙分布中的团块化现象，也就是重子声学振荡。这种分布差异是宇宙在仅有38万年历史时充斥宇宙的灼热等离子体中的声波留下的印记。当时，这些团块的直径可以达到50万光年。而现在，也就是在135亿年后，宇宙已经膨胀了几千倍，而这些团块——现在的直径是5亿光年——完全可以充当方便好用的宇宙测量棒。

DESI项目的科学家将宇宙历史中的过去110亿年划分成7个阶段（宇宙目前已有138亿年的历史）。他们会测量每个阶段中这些团块的大小以及团块中星系加速远离地球以及彼此远离的速度。

研究人员把这7个阶段的研究结果放在一起后，发现他们习以为常的假设——暗能量永恒不变——并不能描述宇宙现在的膨胀情况。在距现在最近的三个历史时期，星系似乎比原有理论预测的更近，这表明，暗能量可能也随时间演变。

帕兰克-德拉布鲁尔博士说：“而且，我们确实看到了一点暗示，表明暗能量的性质并不对应一个简单的宇宙学常数，而是有一定偏差。这也是我们第一次看到这样的数据。”不过，她也再次强调：“就目前的情况来说，我不会称其为证据，因为它还是太弱太弱了。”

时间和更多数据会告诉我们暗能量的命运，以及宇宙学家本已久经考验的宇宙模型的命运。

特纳博士说：“L.C.D.M.模型正在經受来自各个方面的检验。到目前为止，它的表现良好。然而，当我们把这一切放到一起考虑，它就开始显得有些不对劲了，或者说缺失了某些东西。各类证据和观测事实并不能完美地契合在一起。而DESI得到的这个研究结果正是这方面最新的证据。”

目前任教于约翰霍普金斯大学的里斯博士在很早之前就看到了DESI的观测结果，他特别指出，要是这个“暗示”得到证实，那可能会动摇其他宇宙学测量结果，比如宇宙的年龄和大小。他在一封电子邮件中写道：“这个结果非常有意思，我们应该严肃对待。否则，为什么我们要做这样的实验呢？”

资料来源 The New York Times