物理学家称暗能量出了问题

想象一下你正坐在刚刚爆炸的烟花的中心。在最初的闪光和热浪之后，火花向四面八方飞溅，有些汇聚成火红的丝状物，另一些则迅速消逝在冰冷的灰烬中。片刻之后，剩下的只有烟雾——如果你愿意的话，那是烟花大爆炸的回响。

现在想象一下，烟花是宇宙，科学家认为宇宙起源于类似的爆炸。烟花的膨胀是由化学反应推动的，而宇宙的膨胀则来自空旷空间本身的能量。从我们所处的位置来看，宇宙似乎正在向四面八方膨胀，而且每时每刻都在加速。

今年春天，科学家宣布烟花出了问题。自发现暗能量（这种神秘的力量正在加速我们的宇宙烟花表演）以来，宇宙学家首次认为我们可能正处于新发现的边缘。两项旨在测量这种力量性质的著名暗能量调查发现，有证据表明暗能量似乎随着时间的推移而减弱。

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“如果这是真的，那将是一件大事，”西班牙巴塞罗那大学宇宙科学研究所的理论宇宙学家、报告这一异常现象的合作团队成员莉西亚·维德说。“但像往常一样，非凡的主张需要非凡的证据。”

暗能量被认为是宇宙中一种恒定的力量，像时间的前进一样不变和可靠。如果新的结果是正确的，那么它终究是可变的。“这非常重要，”普林斯顿大学的宇宙学家保罗·J·斯坦哈特说，他没有参与这项数据研究，并补充说，只有当结果经得起推敲时，这才是真的。“但这仍然处于早期阶段。”

这一消息基于两项暗能量研究的结合，分别称为暗能量调查 (DES) 和暗能量光谱仪器 (DESI)，以及第三组预先存在的数据。DES 测量遥远的超新星，而 DESI 实验测量星系和来自早期宇宙的声波。第三个组成部分测量宇宙微波背景 (CMB)——宇宙烟花的烟圈。

DES 在二月份发布了新的发现，而 DESI 在四月份发布了新颖的结果。DESI 数据生成了宇宙的详细三维地图。它表明，如果暗能量的作用在宇宙时间中是不变的，那么星系之间的扩散程度似乎比应有的要小。

DESI 望远镜位于亚利桑那州基特峰，测量了存在于 120 亿至 20 亿年前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星系预期位置进行了比较，发现缺乏预期的扩散。

当宇宙学家将 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。现实地图开始偏离理论。

理论家们一直在热议：如果结果是真的，那么宇宙学的一个基石假设就是不正确的。科学家可能不得不抛弃暗能量是“宇宙学常数”（宇宙的静态元素）的普遍观点。

“如果宇宙学常数是错误的，那么关于什么是正确的就都说不准了，”约翰·霍普金斯大学的宇宙学家亚当·G·里斯说，他因发现暗能量而分享了 2011 年诺贝尔物理学奖，但没有参与新的研究结果。

要理解哪里出了问题，我们必须回到阿尔伯特·爱因斯坦。当他构建他的广义相对论时，他假设宇宙是均匀分布且静止的。这个想法在 1917 年是大胆的，那时我们甚至不知道有其他星系，而且证据表明恒星分布不均匀。但在爱因斯坦的方程中，引力和均匀性无法共存。引力会导致不稳定。如果引力在一个弯曲的宇宙中占主导地位，那么宇宙中的一切都应该聚集在一起形成一个巨大的斑点——但事实并非如此。爱因斯坦认为，一定存在某种宇宙力量在对抗引力，他称之为“宇宙学常数”，并用希腊字母 Lambda 来描述它。然而，在 1929 年，埃德温·哈勃表明宇宙不是静止的，而是在膨胀，因此爱因斯坦放弃了这个恒定的对抗力，称之为他“最大的错误”。

1998 年，里斯以及加州大学伯克利分校的宇宙学家索尔·珀尔马特和澳大利亚国立大学的布莱恩·P·施密特表明，爱因斯坦第一次是对的。研究人员发现，当宇宙还年轻时爆炸的超新星比预期的要暗淡，这意味着宇宙正在以越来越快的速度向外膨胀，大概是因为一种无处不在且不变的力量。宇宙学常数被重新启用。科学家认为，常数背后的力量一定来自存在于空旷空间中的能量，他们称之为真空能量或暗能量。在这种观点中，随着宇宙的膨胀，每个新产生的真空都带有自己的真空能量，因此暗能量的总量会增加，导致宇宙膨胀继续加速。（暗能量仍然是恒定的，因为虽然它的总量随着宇宙的增长而增加，但每片空间中的能量——能量密度——是恒定的。）更重要的是，暗能量的恒定值是在大爆炸时设定的，然后从未减少过。砰，啪：宇宙在所有地方、所有时间都具有相同的内在能量。

自 20 世纪 90 年代末以来的所有观测似乎都证实了这种情景。Lambda 现在是宇宙学标准模型的核心，该模型将暗能量与大量不可见的“冷暗物质” (CDM) 的引力结合在一起，称为 Lambda-CDM。这种标准模型认为，大约 68% 的宇宙由暗能量构成，另外 27% 是暗物质，剩下的 5% 是我们能看到和测量到的一切：星系、恒星、鲸鱼、我们。像 DESI 这样的调查旨在足够精确地测量暗能量，以了解它的怪癖。

尽管如此，并非所有人都对 Lambda-CDM 模型感到满意。“这似乎是一系列非常奇怪的事情，”斯坦哈特说。“它唯一的好处是可以用一个数字来描述。但这并不意味着你应该相信它。如果事实证明暗能量是随时间变化的，那就开启了很多可能性。”

自从 DESI 结果和组合 3D 地图都在四月份发布以来，理论家们变得越来越忙碌。到目前为止，还没有任何单一理论可以用某种其他非常数的宇宙力量来取代 Lambda。甚至在新结果出现之前，一些宇宙学家就倾向于选择恒定暗能量的替代方案，部分原因是这个想法太奇怪了——其他已知的力不是恒定的，而是随时间、压力和其他因素而变化——部分原因是 Lambda 在插入其他物理理论时是荒谬的。“在量子理论中，如果你计算空旷空间的能量，你不会得到一个合理的答案。你会得到无穷大，”芝加哥大学的宇宙学家约书亚·A·弗里曼说，他是 DES 的联合创始人，旨在研究这个问题，但没有参与新的 DESI 结果。“这是人们寻找替代方案的原因之一：我们不明白它为什么会具有这个值。”

理论家们对新型暗能量有几种想法，其中大多数都涉及类似流体的能量场，让人联想到赋予正常粒子质量的希格斯场。拟议的暗能量场通常被称为“精质”，源于古代最初想象的第五元素。这种能量场（也称为标量场）可以通过几种方式发挥作用。它会产生我们能看到的相同结果——星系彼此分离，以及一个明显膨胀的空旷画布供我们观察——但不同之处在于宇宙力量是暂时的，而不是永恒不变的。

一些理论家喜欢精质，因为他们已经在研究标量场的潜在早期版本，称为宇宙暴胀。这个场本应在大爆炸之后立即影响宇宙，推动宇宙呈指数级膨胀，然后最终平静下来，并以较慢的速度继续加速。根据里斯的说法，作为现代暗能量基础的标量场就像“轻量级暴胀”。宇宙的物理空间中存在能量的地方，宇宙就会加速。暗能量场将异常微弱，比希格斯场轻约 30 个数量级。而且它会像暴胀一样是暂时的。

弗里曼和他的合作者在 1995 年首次提出的一个流行的版本被称为“解冻”或“缓慢滚动”暗能量。理论宇宙学家杰西·缪尔说，它对宇宙的影响与宇宙学常数的影响类似——在一定程度上。“它的作用就像空旷空间具有一些内在的能量密度，”她说，“但由于它在后来的宇宙中发生变化，你可以在稍后的时间获得一些偏差。”

想象一下一个球从山的一侧滚下，滚向一个浅 U 形山谷。如果没有摩擦，球会滚到另一侧，然后滚回并来回振荡。缪尔说，球代表场的势能，它描述了相对于宇宙的密度或膨胀，移动该场的容易程度。这也是理解希格斯场的一种方式，物理学家认为希格斯场在早期宇宙中经历了一些变化，然后才达到目前的稳定状态。一个类似的但重得多的场可能驱动了宇宙暴胀。弗里曼说，如果暗能量以相同的方式工作，那么它是有先例的。

“在我们唯一知道的加速案例 [暴胀] 中，我们知道它不是暗能量，不是常数。而是其他东西，”他说。“我一直觉得我们需要对驱动宇宙当前加速膨胀的因素保持开放的心态。”在弗里曼的这个理论版本中，你把球放在宇宙开始时山的一侧。球最初被卡住，因为宇宙太稠密，无法快速滚动。随着宇宙膨胀和物质稀释，球可以开始滚动。这被称为“解冻”暗能量模型，因为球解冻并开始移动。“这就像暗能量一样运作，但暗能量对宇宙膨胀的影响与它完全恒定时的影响不同，”弗里曼说。“而且它看起来可能与 DESI 和暗能量调查以及 CMB 数据的最新结果似乎表明的完全一样。”

理论家们还在测试诸如“大反弹”（宇宙循环，大爆炸一次又一次地发生）以及广义相对论的变体（引力在非常早期的宇宙或不同尺度上表现不同）等想法，以及其他可能性。

大量科学论文正在上传到预印本服务器 arXiv.org，宇宙学家们在那里分享想法和前进道路。一切都摆在桌面上，从关于称为中微子的粒子的质量的争论到关于比较数据的最佳统计方法的讨论。“我不会说目前有一个特定的模型似乎处于领先地位，”劳伦斯伯克利国家实验室的宇宙学家、DESI 项目发言人娜塔莉·帕兰克-德拉布鲁耶说。“那里有太多的假设，许多模型都可以拟合数据。这就是为什么继续前进很重要。”

未来一代新的天文台将揭示暗能量——或其他任何驱动宇宙膨胀的力量。欧洲航天局运营的欧几里得空间望远镜于去年发射，将工作到 2030 年，以绘制几乎三分之一天空的地图，绘制暗物质和暗能量。美国宇航局未来的南希·格雷斯·罗曼空间望远镜将测量超过十亿个星系，以研究暗能量随时间的变化。而 DESI 调查将持续到 2026 年。

为了推翻 Lambda，宇宙学家需要达到五西格玛的置信度，这意味着结果是误差或随机机会造成的概率约为百万分之一。到目前为止，DESI、DES 和来自普朗克卫星的宇宙微波背景结果显示，概率为三西格玛，这意味着偶然发生某事的概率约为 0.3%。虽然这听起来像是强有力的证据，但三西格玛的结果可能经不起推敲，因此五西格玛的发现对于真正的发现是必要的。DESI 正在继续其工作，但该团队已经有另一年的星系数据要检查，维德说她的同事们正吵着要看。“我工作到双手都着火了，”她说。

缪尔也研究广义相对论和不同尺度下的引力测试，她说宇宙的现状将提供最好的线索。如果暗能量是像精质这样的流体状能量场，那么模型将预测宇宙随时间膨胀的方式与宇宙结构如何聚集在一起之间存在某种类型的关系。她说，宇宙学家可以寻找膨胀和增长之间的相关性，例如星系团的形成，以了解精质和超出广义相对论的引力。

即使是参与 DESI 分析的维德也仍然怀疑 Lambda-CDM 会被推翻。“我真的很保守，但对于我是否愿意仅仅基于此而将恒定暗能量扔出窗外——还不行，”她说。“现在我们需要继续观察它并更好地理解它。”

许多宇宙学家都在密切关注，但还没有为 Lambda 唱挽歌，里斯说。斯坦哈特认为，系统性误差可能在新发现中发挥作用，尤其是在结合三种不同类型的数据以得出一个全面的结论时。“每个人都在尽力而为，但你应该以很大的怀疑态度对待它，”他说。

如果 Lambda 存在，在某些方面，那将是一个非常无聊的结果——也是一个哲学上具有挑战性的结果。宇宙的未来将是寒冷、空旷、遥远和寂静的。膨胀将永远加速，直到原子本身被拉伸得如此稀薄，以至于它们的中心将无法保持，然后它们就会解体。

但也许未来比那更光明，弗里曼说。“来自 DESI 和 DES 的这些暗示告诉我们继续前进，”他补充道。