看不見摸不到的暗能量居然掌握了宇宙的終極命運？②_風聞

上一篇我們知道了什麼是暗能量，它不僅存在於宇宙當中，還佔據了大約70%的比例，而且與暗物質一起，造就瞭如今所看到的波瀾壯闊的宇宙。可關於它還有很多懸而未解之謎，今天我們繼續走進暗能量的世界～

似水流年 命運多舛 少年何時把家還

圖1：宇宙命運之魅影危機。

圖源：amazon

暗能量的另一個引人側目之處，是其本質關乎宇宙的終極命運。若加速膨脹是由真空能驅動，那麼宇宙將會永遠加速膨脹下去。而對於動力學場來説，除了一直加速膨脹之外，宇宙還有可能會重新坍縮回到大爆炸奇點，也有可能通過難以想象的超加速膨脹將整個宇宙時空撕裂。

對於精靈暗能量模型，還存在另一種宇宙命運的預言，那就是宇宙演化可能是反覆振盪的，我們的宇宙只不過恰好處於不斷的收縮-反彈-膨脹的某個週期當中。值得一提的是，該模型是由我國科學家提出的並在國際上有極大反響，而且其演化行為被一些近期的天文觀測所支持，如果這些疑似跡象在未來的天文觀測中得到驗證，這將是暗能量研究的重大突破。

另一種方案則是針對愛因斯坦的引力理論進行合理的調整。根據洛夫洛克（Lovelock）的觀點，在廣義相對論的框架下作出超出愛因斯坦的嘗試，往往被證明是徒勞的，因為隨之而來的是會導致更復雜的描述宇宙演化的方程，並難以解釋一系列成功檢驗廣義相對論的觀測實驗。因此，一些引力物理學家嘗試着跳出廣義相對論的基本框架，比如，引入更高的時空維度，將我們的三維空間與一維時間鑲嵌在一個更高維度的時空上，而引力也變成了一種更高維度的相互作用，在小的距離範圍內，它與普通的引力無異，在更大的距離範圍上，則會與標準的引力發生偏離，從而解釋宇宙的加速膨脹現象。

還有更激進、更數學的想法則是，改變或拓展人類對於時空幾何結構的認知。在廣義相對論中，引力代表時空的彎曲，就是説我們所處的時空這塊發糕上有曲率。而愛因斯坦本人早年在追求引力電磁力統一化的過程中還提出過一種數學上的可能性，認為我們的時空或許存在撓率，並且與曲率代表時空彎曲相類似。撓率刻畫了時空扭曲的程度，人們發現這種用撓率代替曲率描述引力的理論同樣可以給出愛因斯坦引力場方程，於是開始嘗試在這種基於撓率的理論基礎上探索新的引力理論並試圖解釋宇宙加速膨脹。

基於以上方案，宇宙學家們提出了眾多的暗能量理論模型，每個模型能夠自由調整的參數空間又各自不同，因此給觀測檢驗帶來了巨大的挑戰。為了克服這一困難，近些年來，一些暗能量研究將工作思路轉移到有效理論的構建上來，這種思路受到了粒子物理有效場論的原理性啓發，被稱為暗能量的有效場論。

在這種思想的指導下，我們可以基於一些基本原理，寫下一個描述宇宙演化的一般形式理論框架，各種不同的理論模型都是這一理論框架的一些特殊情況。因此，我們就可以脱離具體模型進行思考，將與愛因斯坦引力理論之間的偏離情況表述成為一種更一般的形式，從而為觀測檢驗提供便利。目前，有關搭建暗能量有效場論理論框架的分析方案主要還是涉及廣義相對論框架下的理論模型，但對於更一般的理論模型人們也在不斷嘗試。

古巷煙雨 宇宙烏雲 鮮衣怒馬憶長安

圖2：天文觀測揭幕越來越多的宇宙之謎。

圖源：Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha

猶如好萊塢電影《加勒比海盜》一樣，在宇宙學的大航海時代，人類始終堅信不疑地苦苦追尋着宇宙加速膨脹的藏寶圖，然而一個謎團的解答指向的是另一個謎團的出現。

2018年，宇宙加速膨脹的研究又飄來了一朵烏雲，來自世界各地的宇宙學家們基於他們各自所入手的研究領域嘗試着理解暗能量的動力學。然而，大家隱約感覺得到熱大爆炸宇宙學標準模型似乎並不能完美演繹來自不同視角的天文學觀測。特別是對於衡量當前宇宙膨脹速率快慢的一個重要物理參數，也就是哈勃常數。

人們通常從兩個方面開展哈勃常數的天文觀測。一個方法是利用近鄰宇宙中的標準燭光，例如銀河系內造父變星、低紅移分佈的超新星等進行幾何測距，再結合近鄰星系變星周光關係來推測得出，這也正是1998年人類發現宇宙加速膨脹的重要實驗依據；另一個方法則是基於來自高紅移（對應於宇宙大爆炸38萬年後）的宇宙微波背景輻射的高精密測量，用聲學視界作為標尺結合熱大爆炸宇宙學標準模型來反推得出。

基於前者的代表性天文觀測是Gaia衞星實驗，而基於後者的代表性觀測則是普朗克衞星實驗。這二者所給出的觀測結果存在差異，並且這一差異真實存在的可能性在統計學上已經接近5σ的置信度，對應於人們日常生活所熟悉的概率也就是大約99.99994%。這對於宇宙學家們來説，無異於在尋找暗能量的探索征途中又出現了一個新的謎團。

圖3：不同天文觀測對哈勃參數的實驗結果不完全吻合。

圖源：Quanta Magazine

除此之外，與宇宙加速膨脹間接相關的還有另一朵烏雲。宇宙學家分別通過宇宙微波背景輻射和弱引力透鏡的方法來測量另外兩個宇宙學參數，刻畫宇宙中物質結構比例的密度參數和描述宇宙尚處於原初時期的物質密度漲落在8

Mpc/h尺度上的幅度大小。他們也意外發現，實驗結果並不完全一致。儘管這些實驗誤差還比較大，觀測前景的不確定性還有待提高，但結合之前的哈勃常數測量，人們把這些令人困惑不堪的觀測疑難統稱為宇宙學危機（cosmological tensions）。而在這些危機之下，人類探索未知的宇宙，是將會鎩羽折帆還是迎來機遇，都未曾可知。

圖4：大尺度結構與微波背景輻射天文實驗之間的觀測衝突。

啁啾共曲 未來探測 拈來一花一世界

圖5：追捕暗能量。

圖源：symmetrymagazine.org

為了探知宇宙加速膨脹之謎，人類提出了形形色色的方案。但是，這些方案要麼在理論方面存在許多不足，要麼給出的預言不能經受天文觀測的良好檢驗。客觀地説，目前還沒有一個完美到讓眾人信服的解釋宇宙加速膨脹的答案。

為了實現這一目標，一方面，我們需要揚帆起航，開啓宇宙大航海時代的序幕，開展更多更精確的宇宙學觀測。在傳統的天文觀測中，捕獲和測量來自不同天體發出的不同種類的光信號是人類獲得來自外太空訊息的主要突進。自從LIGO成功探測到引力波以來，人類宣告進入了引力波天文學時代，隨之而來的是多信使天文學。人們提出了將引力波源作為“標準汽笛”來探測宇宙膨脹現象的思路，從而可以獨立於Ia型超新星、宇宙微波背景輻射等傳統天文觀測提供宇宙學測距的實驗檢驗。

另一方面，理論也需要得到更充分的發展。例如，一些可能偏離廣義相對論的理論猜想，也有助於我們從其它角度來認知和解釋宇宙加速膨脹的現象。人們既可以思考並提出更新穎巧妙的理論來解釋天文觀測，也可以在現有理論的基礎上致力於暗能量有效場論理論框架的發展，從而更物理地認識暗能量以及其它與愛因斯坦引力理論偏離的現象學。

一個多世紀以前，物理學上空飄過的一朵烏雲——以太學説與光速不變測量實驗之間的衝突催生了愛因斯坦的相對論，推進了全人類的現代宇宙觀。那麼，當前的物理學上空又出現了暗能量這朵烏雲，這是否意味着我們正處在認識宇宙再次發生飛躍的前夕呢？

在暗能量的實驗探測方面，國際宇宙學界極為重視並開展了長期的探索與規劃。為了研究更寬泛區域的暗能量動力學，正在積極開發新的天文觀測手段包括弱引力透鏡，伽瑪射線暴、21釐米譜線、重子聲學震盪、類星體等。

我國科學家也為此投入了多年的心血，特別是近些年對天文觀測展開了一系列的大力發展，包括正在進行或規劃中的世界單口徑最大的五百米射電望遠鏡、中性氫巡天、天籟計劃、中國空間站光學巡天、郭守敬望遠鏡、大視場巡天、大口徑光學及紅外望遠鏡等項目；同時，我國也積極推動暗能量科學的國際合作，已加入了斯隆數字巡天、暗能量光譜巡天、大尺度光學巡天等國際項目，力圖通過多種天文觀測手段探索暗能量的物理本質。

圖6：暗能量觀測的天文利器。

圖源：The Cerro Tololo Inter-American Observatory, in Chile, dedicated to dark energy detection. ROGER RESSMEYER/CORBIS/VCG/GETTY IMAGES

隨着國內外天文學領域吹響了號角，一系列大科學工程的建設已然啓動，我們有理由相信，圍繞暗能量研究的宇宙學大發現正在悄然臨近。三百年前，中國曾經屈辱地被動捲入了全球地理大發現。時至今日，我們不能坐以待斃，而應當主動出擊，通過積極開展暗能量的科學研究，在宇宙大航海的新時代中，乘風破浪，徵赴星辰。

參考文獻

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