看不见摸不到的暗能量居然掌握了宇宙的终极命运？②

上一篇我们知道了什么是暗能量，它不仅存在于宇宙当中，还占据了大约70%的比例，而且与暗物质一起，造就了如今所看到的波澜壮阔的宇宙。可关于它还有很多悬而未解之谜，今天我们继续走进暗能量的世界～

似水流年 命运多舛 少年何时把家还

图1：宇宙命运之魅影危机。

图源：amazon

暗能量的另一个引人侧目之处，是其本质关乎宇宙的终极命运。若加速膨胀是由真空能驱动，那么宇宙将会永远加速膨胀下去。而对于动力学场来说，除了一直加速膨胀之外，宇宙还有可能会重新坍缩回到大爆炸奇点，也有可能通过难以想象的超加速膨胀将整个宇宙时空撕裂。

对于精灵暗能量模型，还存在另一种宇宙命运的预言，那就是宇宙演化可能是反复振荡的，我们的宇宙只不过恰好处于不断的收缩-反弹-膨胀的某个周期当中。值得一提的是，该模型是由我国科学家提出的并在国际上有极大反响，而且其演化行为被一些近期的天文观测所支持，如果这些疑似迹象在未来的天文观测中得到验证，这将是暗能量研究的重大突破。

另一种方案则是针对爱因斯坦的引力理论进行合理的调整。根据洛夫洛克（Lovelock）的观点，在广义相对论的框架下作出超出爱因斯坦的尝试，往往被证明是徒劳的，因为随之而来的是会导致更复杂的描述宇宙演化的方程，并难以解释一系列成功检验广义相对论的观测实验。因此，一些引力物理学家尝试着跳出广义相对论的基本框架，比如，引入更高的时空维度，将我们的三维空间与一维时间镶嵌在一个更高维度的时空上，而引力也变成了一种更高维度的相互作用，在小的距离范围内，它与普通的引力无异，在更大的距离范围上，则会与标准的引力发生偏离，从而解释宇宙的加速膨胀现象。

还有更激进、更数学的想法则是，改变或拓展人类对于时空几何结构的认知。在广义相对论中，引力代表时空的弯曲，就是说我们所处的时空这块发糕上有曲率。而爱因斯坦本人早年在追求引力电磁力统一化的过程中还提出过一种数学上的可能性，认为我们的时空或许存在挠率，并且与曲率代表时空弯曲相类似。挠率刻画了时空扭曲的程度，人们发现这种用挠率代替曲率描述引力的理论同样可以给出爱因斯坦引力场方程，于是开始尝试在这种基于挠率的理论基础上探索新的引力理论并试图解释宇宙加速膨胀。

基于以上方案，宇宙学家们提出了众多的暗能量理论模型，每个模型能够自由调整的参数空间又各自不同，因此给观测检验带来了巨大的挑战。为了克服这一困难，近些年来，一些暗能量研究将工作思路转移到有效理论的构建上来，这种思路受到了粒子物理有效场论的原理性启发，被称为暗能量的有效场论。

在这种思想的指导下，我们可以基于一些基本原理，写下一个描述宇宙演化的一般形式理论框架，各种不同的理论模型都是这一理论框架的一些特殊情况。因此，我们就可以脱离具体模型进行思考，将与爱因斯坦引力理论之间的偏离情况表述成为一种更一般的形式，从而为观测检验提供便利。目前，有关搭建暗能量有效场论理论框架的分析方案主要还是涉及广义相对论框架下的理论模型，但对于更一般的理论模型人们也在不断尝试。

古巷烟雨 宇宙乌云 鲜衣怒马忆长安

图2：天文观测揭幕越来越多的宇宙之谜。

图源：Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha

犹如好莱坞电影《加勒比海盗》一样，在宇宙学的大航海时代，人类始终坚信不疑地苦苦追寻着宇宙加速膨胀的藏宝图，然而一个谜团的解答指向的是另一个谜团的出现。

2018年，宇宙加速膨胀的研究又飘来了一朵乌云，来自世界各地的宇宙学家们基于他们各自所入手的研究领域尝试着理解暗能量的动力学。然而，大家隐约感觉得到热大爆炸宇宙学标准模型似乎并不能完美演绎来自不同视角的天文学观测。特别是对于衡量当前宇宙膨胀速率快慢的一个重要物理参数，也就是哈勃常数。

人们通常从两个方面开展哈勃常数的天文观测。一个方法是利用近邻宇宙中的标准烛光，例如银河系内造父变星、低红移分布的超新星等进行几何测距，再结合近邻星系变星周光关系来推测得出，这也正是1998年人类发现宇宙加速膨胀的重要实验依据；另一个方法则是基于来自高红移（对应于宇宙大爆炸38万年后）的宇宙微波背景辐射的高精密测量，用声学视界作为标尺结合热大爆炸宇宙学标准模型来反推得出。

基于前者的代表性天文观测是Gaia卫星实验，而基于后者的代表性观测则是普朗克卫星实验。这二者所给出的观测结果存在差异，并且这一差异真实存在的可能性在统计学上已经接近5σ的置信度，对应于人们日常生活所熟悉的概率也就是大约99.99994%。这对于宇宙学家们来说，无异于在寻找暗能量的探索征途中又出现了一个新的谜团。

图3：不同天文观测对哈勃参数的实验结果不完全吻合。

图源：Quanta Magazine

除此之外，与宇宙加速膨胀间接相关的还有另一朵乌云。宇宙学家分别通过宇宙微波背景辐射和弱引力透镜的方法来测量另外两个宇宙学参数，刻画宇宙中物质结构比例的密度参数和描述宇宙尚处于原初时期的物质密度涨落在8

Mpc/h尺度上的幅度大小。他们也意外发现，实验结果并不完全一致。尽管这些实验误差还比较大，观测前景的不确定性还有待提高，但结合之前的哈勃常数测量，人们把这些令人困惑不堪的观测疑难统称为宇宙学危机（cosmological
tensions）。而在这些危机之下，人类探索未知的宇宙，是将会铩羽折帆还是迎来机遇，都未曾可知。

图4：大尺度结构与微波背景辐射天文实验之间的观测冲突。

啁啾共曲 未来探测 拈来一花一世界

图5：追捕暗能量。

图源：symmetrymagazine.org

为了探知宇宙加速膨胀之谜，人类提出了形形色色的方案。但是，这些方案要么在理论方面存在许多不足，要么给出的预言不能经受天文观测的良好检验。客观地说，目前还没有一个完美到让众人信服的解释宇宙加速膨胀的答案。

为了实现这一目标，一方面，我们需要扬帆起航，开启宇宙大航海时代的序幕，开展更多更精确的宇宙学观测。在传统的天文观测中，捕获和测量来自不同天体发出的不同种类的光信号是人类获得来自外太空讯息的主要突进。自从LIGO成功探测到引力波以来，人类宣告进入了引力波天文学时代，随之而来的是多信使天文学。人们提出了将引力波源作为“标准汽笛”来探测宇宙膨胀现象的思路，从而可以独立于Ia型超新星、宇宙微波背景辐射等传统天文观测提供宇宙学测距的实验检验。

另一方面，理论也需要得到更充分的发展。例如，一些可能偏离广义相对论的理论猜想，也有助于我们从其它角度来认知和解释宇宙加速膨胀的现象。人们既可以思考并提出更新颖巧妙的理论来解释天文观测，也可以在现有理论的基础上致力于暗能量有效场论理论框架的发展，从而更物理地认识暗能量以及其它与爱因斯坦引力理论偏离的现象学。

一个多世纪以前，物理学上空飘过的一朵乌云——以太学说与光速不变测量实验之间的冲突催生了爱因斯坦的相对论，推进了全人类的现代宇宙观。那么，当前的物理学上空又出现了暗能量这朵乌云，这是否意味着我们正处在认识宇宙再次发生飞跃的前夕呢？

在暗能量的实验探测方面，国际宇宙学界极为重视并开展了长期的探索与规划。为了研究更宽泛区域的暗能量动力学，正在积极开发新的天文观测手段包括弱引力透镜，伽玛射线暴、21厘米谱线、重子声学震荡、类星体等。

我国科学家也为此投入了多年的心血，特别是近些年对天文观测展开了一系列的大力发展，包括正在进行或规划中的世界单口径最大的五百米射电望远镜、中性氢巡天、天籁计划、中国空间站光学巡天、郭守敬望远镜、大视场巡天、大口径光学及红外望远镜等项目；同时，我国也积极推动暗能量科学的国际合作，已加入了斯隆数字巡天、暗能量光谱巡天、大尺度光学巡天等国际项目，力图通过多种天文观测手段探索暗能量的物理本质。

图6：暗能量观测的天文利器。

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

随着国内外天文学领域吹响了号角，一系列大科学工程的建设已然启动，我们有理由相信，围绕暗能量研究的宇宙学大发现正在悄然临近。三百年前，中国曾经屈辱地被动卷入了全球地理大发现。时至今日，我们不能坐以待毙，而应当主动出击，通过积极开展暗能量的科学研究，在宇宙大航海的新时代中，乘风破浪，征赴星辰。

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