魅影威脅下的宇宙暗能量

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歐洲空間局的普朗克探測器（右下）所觀測到的宇宙微波背景中的各向異性。作為宇宙中最古老的光，宇宙微波背景誕生於宇宙年齡僅38萬年時。「普朗克」在宇宙微波背景中所觀測到的微小溫度漲落對應於當時微小的物質密度起伏。它們是現在宇宙中所有結構——包括恆星和星系——的種子。版權：ESA/Planck Collaboration/D. Ducros。

暗能量一定比我們所想像的還要更加另類，

它對宇宙的命運會產生重大且深遠的影響。

一個世紀前，宇宙是一個平靜而穩定的地方——至少在宇宙學家們的腦海中是這樣的。即便是在全世界正飽受第一次世界大戰的蹂躪之時，愛因斯坦仍在奮力實現他對一個完美平衡宇宙的願景。在1917年2月提交給普魯士科學院的一篇論文中，他為剛剛出爐的廣義相對論場方程添加了一個新的元素，意在保證宇宙能夠永恆不變。

今天的歐洲硝煙早已散去，但宇宙卻一片喧囂。我們早已拋棄了愛因斯坦的靜止、不變的宇宙觀，主張一個不僅在不斷膨脹而且在不斷加速膨脹的宇宙。驅動這一加速膨脹的神秘力量被稱為暗能量。除了知道暗能量佔據了宇宙質能的三分之二之外，人類目前對於它究竟是什麼仍沒有頭緒。

但實際情況似乎在變得越來越糟糕。對宇宙加速膨脹的最新測量表明，我們曾經對暗能量的認識是有誤的。有一個新的魅影可能正在悄悄地接近宇宙，這讓宇宙學家們不寒而慄。它不僅會使得宇宙膨脹得越來越快，直至被撕裂，同時也意味著生命在一開始就不應該出現在這個宇宙中。上面的說法並非比喻修辭，它會產生詭異的後果。

1915年，當愛因斯坦在對他的理論廣義相對論收官時，他陷入了一個兩難的境地。他的方程優雅地描述了一個由引力所主宰的宇宙是如何運轉的，但有一件事情除外：它們無法像曾經所假定的那樣讓宇宙保持靜止，宇宙要麼會瘋狂地膨脹，要麼自身會發生坍縮。他的解決之道堪稱經典，時至今日依然讓人回味：他在其方程中加入了新的一項，被稱為「宇宙學常數」，用以提供額外的能量來使得宇宙保持穩定。

1931年愛因斯坦（右三）、埃德溫·哈勃（左二）和米爾頓·赫馬森（左一）在威爾遜山的合影。為了讓宇宙保持靜止，愛因斯坦引入了宇宙學常數，但哈勃和赫馬森卻發現宇宙在膨脹。版權：Caltech。

愛因斯坦從一開始就不喜歡他自己所引入的宇宙學常數，此後不久天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）和米爾頓·赫馬森（Milton Humason）給了他一個否決它的理由。20世紀20年代，這兩位天文學家發現，遙遠的星系正在遠離我們，因此宇宙正在不斷膨脹。據說，愛因斯坦稱引入這個常數是他最大的錯誤。

變化的常數

今天，否定宇宙學常數則是一個更大的錯誤。20世紀90年代末，宇宙學常數涅槃重生，當時兩組天文學家利用遙遠的超新星爆炸證明宇宙的膨脹在加速。這無可辯駁地表明，宇宙中存在起斥力作用的暗能量，它足以壓倒宇宙中所有物質所產生的引力。有各種各樣的理論可以來解釋這個「闖入者」，但奇怪的是最簡單的辦法卻是復活宇宙學常數。雖然最初的目的是保證宇宙的穩定性，但只要被賦予合適的值，它就可以產生暗能量的效果。最新的天文觀測表明，無論宇宙學常數所描述的是什麼，它佔據了宇宙的68％。

那它會是什麼呢？大多數物理學家所青睞的解釋是它代表了空間的能量密度，這是基本量子效應的一種體現，即便是在星系和恆星系統之間的真空也會具有能量。但根據目前最好的估計，這一量子漲落的強度比解釋測得的宇宙加速膨脹所需要的高出了10的120次方倍。換句話說，宇宙學常數存在極其嚴重的問題。在理論上，物理學家們無法對此做出任何的解釋。

即便如此，暗能量和宇宙學常數現在已被確立為宇宙學標準模型的支柱之一，被稱為「宇宙學常數-冷暗物質」模型，其英語首字母縮寫為ΛCDM。希臘字母Λ表示宇宙常數；CDM則為冷暗物質，是束縛住星系團所必需的神秘且不可見的物質形式。

從出現宇宙微波背景（左）到第一代恆星（中）和星系（右）形成的過程。宇宙極早期的微小量子漲落是今天恆星和星系的種子。暗物質會率先在這些種子周圍成團，慢慢地構建出宇宙網結構。此後，普通物質會開始落入這些結構，形成今天所見的宇宙。根據這一演化模型可以計算出宇宙現在的膨脹速度，即哈勃常數。版權：ESA/C. Carreau。

在過去幾十年中，ΛCDM模型已經證明了其自身無比強大的威力，能夠解釋不斷演化宇宙的方方面面。但在過去的幾年裡，它開始出現了一些問題，甚至可能會導致此前建立的整座豐碑崩塌。

這些問題就在於今天所觀測到的宇宙與由ΛCDM模型根據早期宇宙的狀況所做出的預言不符。其中最明顯的就是哈勃常數，它描述了宇宙目前的膨脹速度。直到最近，其公認的數值來自歐洲空間局的普朗克衛星，它測量的是在宇宙大爆炸之後38萬年時所發出的光。對這一宇宙微波背景的最精確測量為我們提供了對嬰兒時期宇宙前所未有的認識。

有了這些數據，科學家們可以從宇宙微波背景中提取當時物質分布的情況，然後將其推演到130億年之後的今天，進而得到現在宇宙膨脹的速率為每百萬秒差距每秒67.3千米。

由「普朗克」觀測結果外推得到的哈勃常數數值與目前對宇宙的觀測結果符合得很好，也與宇宙學常數相一致。但是，藉由宇宙微波背景並非是計算哈勃常數的唯一方法。

自哈勃的時代起，天文學家就在使用來自遙遠恆星和星系所發出的光來直接測量哈勃常數。被稱為標準燭光的特定恆星會發出可預知的能量，從而可以用來在近距宇宙中精確地測量距離。通過觀測整個星系則可以讓我們把這一方法拓展到更為遙遠的距離上，這類手段被稱為宇宙距離階梯。

在過去的十年中，天文學家一直在致力於校準和拓展這一階梯，進而得到近距宇宙中的哈勃常數數值。當2011年第一批由此得到的新結果公布時，所測得的哈勃常數與由「普朗克」數據所推斷出的都具有較大的不確定性，這讓這兩者看上去是相容的。但從那時起，這兩者的誤差都在不斷減少，這兩個數值之間的差距開始越拉越大。在近距宇宙中的最新測量結果表明，哈勃常數為每百萬秒差距每秒73.2千米，它在99.9%的置信度上與「普朗克」數據得到的結果不一致。如此高的不一致性開始讓情況變得非常嚴重。

當科學家們對數據做進一步的篩選時，這一差別可能會消失，或者它僅僅是一個統計概率上的巧合。然而，這絕非是唯一讓宇宙學家擔心的事情。

魅影的威脅

千度巡天（KiDS）是一項旨在使用弱引力透鏡來對天空中的一大片區域進行勘測的計劃，它所測量的是物質集團對其附近光線路徑所造成的彎曲效應。它可以為ΛCDM模型的另一個關鍵預言施加限制：宇宙中暗物質的分布方式。最新的分析顯示，暗物質的分布比預期的要更加平滑得多，這與根據「普朗克」觀測數據外推得到的結果有著明顯的差異。

千度巡天是一項在南天進行的大型可見光成像巡天，目的是研究和解決當今宇宙學和星系形成中一些最基本的問題。使用甚大巡天望遠鏡（如圖），它會在4個波段上對1500平方度的天區進行勘測。版權：ESO/G. Lombardi。

2012年當KiDS的團隊開始公布初步結果時，「普朗克」團隊的成員對其發難，認為他們的工作存在錯誤。在當時KiDS團隊並沒有足夠的信心來反駁。也許這兩個團隊都是正確的。

在過去的一個世紀里，我們已經見證了宇宙從穩態到以恆定的速度膨脹，再到以恆定加速度膨脹。調和ΛCDM模型所存在問題的最簡單方法其實只需要再往前走一步，放寬暗能量密度隨著時間保持恆定這一限制：導致宇宙加速膨脹的宇宙學常數本身在不斷增大，所以宇宙學常數並非是常數。

暗能量會隨時間演化的想法並不新鮮。早在20世紀80年代就提出了暗能量眼下最流行模型的一個變體，被稱為精質（quintessence）。它認為暗能量是一種無所不在的場，類似於自然界中的第5種作用力，其強度會隨時間而改變。但最初的精質模型並不能完全解決問題。為了解釋最新的結果，需要暗能量以某種令人驚訝的方式來演化。

暗能量的演化方式可以通過其能量密度與其向外所施加壓強之間的關係來概括。在ΛCDM模型下，這兩個屬性的比值為一個常數，其數值等於-1。在傳統的精質模型下，該比值可以增大到任意數值，目的是為了確保暗能量密度隨時間減小。然而，對於最新的觀測數據來說，這個比值必須要進入此前所認為的「禁區」，即小於-1的區域，這意味著暗能量的強度必然會隨著時間而增加。這類會把宇宙撕扯開的負能量必須不斷地從無中生有。

這絕對是一個非常奇怪的景象。任何的能量形式通常都不會從無生有。傳統上，物理學家們會忽略掉這些具有此類看似不可能行為的理論模型，它們還獲得了一個有點「不屑一顧」的名字：幻影暗能量。但現在這些魅影正在興起。

對千度巡天數據的分析表明，宇宙中暗物質的分布要比此前預期的更加稀疏也更加平緩。為此，天文學家們研究了該巡天中約1500萬個遙遠星系發出的光在傳播過程中所受到的宇宙大尺度結構的引力彎曲影響（弱引力透鏡）。這一結果與普朗克探測器得到的結果並不一致。版權：Kilo-Degree Survey Collaboration/H. Hildebrandt & B. Giblin/ESO。

在它的主宰下，宇宙的最終命運將會是戲劇性的。在極為遙遠的未來，加速膨脹的斥力會在任何一個尺度上都超越物質之間的束縛力。於是，宇宙中每一個粒子都會被撕扯開，被稱為大撕裂。在當下，它也會產生一些惱人的後果，對已有的認識提出質疑。在一個被幻影暗能量驅動的宇宙中，普通事物無法持續穩定地存在至今。早在人類出現之前，一切都會衰變成暗能量。這個跡象表明，有一些更為根本的東西我們至今仍然未知。幻影暗能量也許並非是終點。

在它的背後可能還隱藏著些什麼？一個想法是，宇宙的兩大成分暗物質和暗能量會以某種方式相互作用，由此導致了我們所觀測到的結果。例如，如果暗物質會不斷地衰變成暗能量，那它可以解釋後者的增大。另一個可能是存在著幾個尚未被發現的能量場，它們混合在一起會產生隨時間變化的斥力。不過，這些多場模型並不十分被看好，因為它們會使得幻影暗能量的行為變得更加古怪。

理論物理學家將目光關注這些未知的領域讓實驗物理學家和觀測天文學家備感緊張，促使他們對哈勃常數的最新測量結果進行更加精細的交叉驗證和匿情分析。

許多人希望這一差異會變得越來越難以被否認和忽視，迫使所有人去面對新的物理學。甚至有宇宙學家表示，如果宇宙可以用一個平坦的ΛCDM模型來描述，那麼他覺得後半生可以去干點別的事情了。

別樣的歌聲

新一代的天文台也許可以一勞永逸地解決這個問題。將於2020年發射的歐幾里得探測器和計劃於2019年開始對南天進行勘測的大口徑全天巡視望遠鏡將有助於完善現有的測量結果。雖然利用引力波也可以測量宇宙的膨脹速度，但其目前的不確定性還太大，不足以提供一個關鍵的獨立評判。

兩顆中子星發生碰撞併合的藝術概念圖。2017年人類第一次在引力波和電磁波上同時觀測到同一併合事件。這為通過類似的事件來測量宇宙膨脹的加速度提供了可能，未來它有望提供一個獨立於其他手段的評判暗能量特性的依據。版權：NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet。

2017年，激光干涉儀引力波天文台和室女座引力波天文台探測到了兩顆中子星碰撞併合所產生的引力波，隨後天文學家們用望遠鏡對其進行了後續跟蹤觀測。這是第一次在引力波和電磁波上觀測到同一天文事件。這種結合將會為測量宇宙膨脹的加速度提供一種新的方法。由於不依賴其他手段，因此它會具有較高的準確性。

但僅觀測到一次是不夠的。根據預測，未來十年可能會探測到幾十個類似的事件，屆時其精度應該會達到能幫助我們判定暗能量是否需要被再次修改的程度。

在問世一百年之後，宇宙學常數眼下可能正在遭受致命的攻擊，但它的接班人卻仍無處可尋。放眼看去，還沒有一個真正好的物理理論，也沒有一件事情讓所有科學家都感覺是正確的。

本篇文章作者：謝 懿

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