科學(xué)發(fā)現(xiàn)暗能量竟在減少，宇宙之死或另有變數(shù)？

3月19日，科學(xué)家們公布了一項(xiàng)重大觀測(cè)研究成果——宇宙中的暗能量在過(guò)去45億年中已經(jīng)減弱了10%。這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)是由坐落在亞利桑那州圖森附近的基特峰國(guó)家天文臺(tái)DESI望遠(yuǎn)鏡，基于三年的觀測(cè)數(shù)據(jù)采集分析研究得出的。

DESI實(shí)際是一臺(tái)暗能量光譜儀，而暗能量被認(rèn)為是宇宙膨脹，使星系加速遠(yuǎn)離彼此的神秘力量，這種力量在過(guò)去的理論中被假設(shè)為虛空中的固有屬性，不會(huì)隨著時(shí)間而改變，因此是一個(gè)“宇宙學(xué)常數(shù)”，這個(gè)“常數(shù)”被用于宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型。

暗能量從永恒不變的“常數(shù)”，突然發(fā)現(xiàn)并非如此，在過(guò)去45億年間竟然減弱了10%，這個(gè)發(fā)現(xiàn)當(dāng)然就驚人了，它不但對(duì)天文學(xué)界廣泛接納的宇宙ΛCDM模型提出了重大挑戰(zhàn)，甚至可能影響到經(jīng)典物理學(xué)的根基。英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的天文學(xué)家、蘇格蘭皇家天文學(xué)家凱瑟琳·海曼斯驚呼：“物理學(xué)家已經(jīng)面臨解釋這個(gè)問(wèn)題的挑戰(zhàn)”。

所謂ΛCDM模型，是指一個(gè)包含暗能量C（Cold Dark Matter）、冷暗物質(zhì)D（Dark Matter）和普通物質(zhì) M（Matter）的宇宙，前面的Λ則代表宇宙學(xué)常數(shù)（Cosmological Constant），通常與暗能量（Dark Energy）相關(guān)，它驅(qū)動(dòng)宇宙的加速膨脹。這個(gè)宇宙模型早已成為科學(xué)界主流理論，被稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型，成功地解釋了宇宙微波背景輻射（CMB）、大尺度結(jié)構(gòu)和宇宙的演化。

在這之前，所有的觀測(cè)（如超新星測(cè)量、宇宙微波背景輻射等）都支持暗能量是宇宙學(xué)常數(shù)（Λ），即其密度不會(huì)隨時(shí)間變化。但現(xiàn)在DESI 的研究結(jié)果暗示，暗能量可能隨著時(shí)間在衰減，這與標(biāo)準(zhǔn)模型的假設(shè)相矛盾，不啻于在科技界釋放了一顆核彈。

除了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的沖擊，這次發(fā)現(xiàn)或許還隱逸著新的物理機(jī)制：如果暗能量的密度確實(shí)在變化，可能涉及到某種動(dòng)力學(xué)暗能量模型，例如第五種力（第五作用）。也就是說(shuō)，除了經(jīng)典物理學(xué)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的四種基本力，即引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力，可能還存在新的力主導(dǎo)著宇宙膨脹。而且，暗能量類(lèi)似某種場(chǎng)（如“量子標(biāo)量場(chǎng)”）的行為，而不是恒定的常數(shù)，其中的衰變?cè)硪仓档醚芯俊?/p>

作為科普，我想讀者們也不想過(guò)分深究這些深?yuàn)W的理論問(wèn)題，時(shí)空通訊就只說(shuō)說(shuō)這次發(fā)現(xiàn)，有可能對(duì)宇宙未來(lái)歸宿的影響。

一直以來(lái)，科學(xué)界對(duì)宇宙的歸宿有多種猜想，集中起來(lái)主要有四種可能：一是“熱寂”說(shuō)，二是“大撕裂”說(shuō)，三是“大坍縮”說(shuō)，四是“穩(wěn)態(tài)說(shuō)”。

一、熱寂說(shuō)（Big Freeze）

宇宙一直膨脹下去，或者即便速度放緩，還是繼續(xù)膨脹，最終的結(jié)局就是熱寂。所謂熱寂，就是宇宙永遠(yuǎn)擴(kuò)張，最終星系和一切天體變得極限稀疏，并漸漸熄滅，溫度接近絕對(duì)零度，所有物理過(guò)程停止，宇宙成為一個(gè)冰冷而死寂的虛空。

宇宙這種“死法”，預(yù)測(cè)壽命最長(zhǎng)，將大于10^100年（至少 10 的一百次方年）。如果暗能量是宇宙學(xué)常數(shù)（Λ），即它的密度始終不變，那么宇宙將永遠(yuǎn)加速膨脹，最終進(jìn)入“熱寂”狀態(tài)，其過(guò)程大致如下：

• 10^11 年（1000 億年），遙遠(yuǎn)星系因加速膨脹變得不可見(jiàn)，本星系群成為宇宙唯一可觀測(cè)結(jié)構(gòu)。
• 10^14 年（100 萬(wàn)億年），最后的恒星燃盡，宇宙進(jìn)入“黑暗時(shí)代”。
• 10^30年，黑洞蒸發(fā)（霍金輻射），宇宙幾乎只剩虛無(wú)的基本粒子。
• 10^100 年，所有物質(zhì)徹底消失，宇宙接近完全熵死。
• 如果暗能量的密度繼續(xù)下降，但仍然保持正值（即仍然推動(dòng)膨脹），那么宇宙的膨脹速度可能會(huì)降低，但不會(huì)完全停止。這樣的話(huà)，星系之間仍然會(huì)相互遠(yuǎn)離，最終宇宙仍然進(jìn)入“熱寂”（Big Freeze），壽命可能更長(zhǎng)。

二、大坍縮說(shuō)（Big Crunch）

如果暗能量在減少，那么加速膨脹可能會(huì)減弱，甚至有一天可能逆轉(zhuǎn)，導(dǎo)致宇宙重新收縮，進(jìn)入“大坍縮”（Big Crunch）模式。這種理論認(rèn)為，如果暗能量的密度下降得足夠快，甚至最終變成負(fù)值（即暗能量不再推動(dòng)宇宙膨脹，反而變成收縮的驅(qū)動(dòng)力），那么引力將逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

一旦引力開(kāi)始超過(guò)膨脹的動(dòng)力，宇宙的膨脹將停止，并開(kāi)始收縮，星系、恒星、行星都會(huì)逐漸靠攏。最終，整個(gè)宇宙可能會(huì)坍縮回一個(gè)極端高密度、高溫的狀態(tài)，回歸宇宙爆炸前的奇點(diǎn)。這類(lèi)似于大爆炸的“逆過(guò)程”，甚至可能觸發(fā)新的宇宙大爆炸，形成一個(gè)“周期性宇宙”。

宇宙這種“死法”，預(yù)測(cè)壽命約 10^11-10^12 年（1000 億- 10000 億年），其過(guò)程大致如下：

• 10^11年（1000 億年后），宇宙的膨脹完全停止，開(kāi)始收縮。
• 10^12年（10000億年后），星系、恒星、行星、黑洞等所有物質(zhì)被擠壓回一個(gè)高密度狀態(tài)。
• 最終10^13年內(nèi)（10萬(wàn)億年內(nèi)），宇宙可能塌縮回一個(gè)奇點(diǎn)，形成類(lèi)似“大爆炸”的狀態(tài)。

三、大撕裂說(shuō)（Big Rip）

如果暗能量的密度不是恒定的，而是隨著時(shí)間增加暗能量不斷變強(qiáng)（即“幻影暗能量”模型Phantom Dark Energy），這是一種假設(shè)的暗能量形式，它的狀態(tài)方程參數(shù)ω（即暗能量的壓力與能量密度之比））小于1時(shí)，那么暗能量的斥力會(huì)不斷增強(qiáng)，最終導(dǎo)致宇宙內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)被撕裂。

宇宙這種“死法”，預(yù)測(cè)壽命約 10^9-10^10年（10-100 億年），這是一種“最短命的死法”，其過(guò)程大致如下：

• 10億年后，星系被撕碎，恒星和行星無(wú)法維持穩(wěn)定軌道。
• 50-80億年后，原子和亞原子結(jié)構(gòu)被撕裂，物理定律失效。
• 100億年內(nèi)，宇宙空間本身無(wú)限膨脹，時(shí)間和空間都被摧毀，物理法則全部失效。

四、穩(wěn)態(tài)-膨脹停止說(shuō)（Static Universe）

如果暗能量逐漸減少，并最終降為零，那么宇宙的膨脹速度會(huì)慢慢停止，進(jìn)入一個(gè)“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”。宇宙這種“死法”預(yù)測(cè)壽命約約 10^12-10^20 年（1 萬(wàn)億年 - 1000 萬(wàn)億年），其過(guò)程大致如下：

• 宇宙膨脹趨于平衡，不再加速，但不會(huì)明顯收縮。
• 星系仍然存在，但隨著時(shí)間推移，宇宙會(huì)變得更加冷漠和黑暗，宇宙可能仍然逐漸進(jìn)入“熱寂”，但速度比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的要慢很多。
• 黑洞和中子星最終主導(dǎo)宇宙結(jié)構(gòu)，最終進(jìn)入黑洞蒸發(fā)的階段（103? - 101?? 年）。

宇宙最終歸宿，除了以上四種，還有“無(wú)限循環(huán)的振蕩宇宙”與“有限周期的振蕩宇宙”之說(shuō)，是認(rèn)為宇宙會(huì)經(jīng)歷收縮-反彈-膨脹的循環(huán)。前者是說(shuō)收縮、反彈、膨脹不斷循環(huán)，壽命無(wú)限，宇宙沒(méi)有真正的起點(diǎn)和終點(diǎn)；后者是說(shuō)宇宙可能只經(jīng)歷一次反彈，即它來(lái)自于之前的一個(gè)收縮階段，但不會(huì)無(wú)限循環(huán)，而是在當(dāng)前的膨脹階段持續(xù)下去。這種“死法”或“不死”就不展開(kāi)講了。

現(xiàn)在，科學(xué)探測(cè)和研究確定暗能量并非恒定的常數(shù)，而是在過(guò)去45億年間已經(jīng)減少了10%，就可以斷定宇宙終將停止收縮，最終走向大坍縮的歸宿嗎？科學(xué)界對(duì)此并沒(méi)有一個(gè)結(jié)論，認(rèn)為還需要進(jìn)一步觀測(cè)和研究。

因?yàn)椋駷橹梗的芰康淖兓厔?shì)尚不明確，DESI 的數(shù)據(jù)只是初步結(jié)果，還需要進(jìn)一步確認(rèn)。未來(lái)的發(fā)展，很可能有如下趨勢(shì)：暗能量密度并不會(huì)繼續(xù)快速下降，那么宇宙仍然會(huì)保持膨脹，哪怕速度變慢；如果暗能量不是一個(gè)恒定的常數(shù)，而是一個(gè)隨時(shí)間演化的場(chǎng)（如“標(biāo)量場(chǎng)”），那么它的變化可能是周期性的，甚至可能在未來(lái)反彈，重新加速膨脹。

而且，現(xiàn)代宇宙學(xué)仍然不完全理解暗能量的本質(zhì)。如果未來(lái)理論物理學(xué)發(fā)現(xiàn)暗能量與第五種力、額外維度、量子引力效應(yīng)等相關(guān)，宇宙的演化路徑可能比我們現(xiàn)在設(shè)想的更加復(fù)雜。

因此，需要建立更多獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室，來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)。如利用歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡、維拉·魯賓天文臺(tái)、羅曼空間望遠(yuǎn)鏡等，來(lái)更精確地測(cè)量宇宙膨脹歷史，檢驗(yàn) DESI 結(jié)果是否真實(shí)；還要進(jìn)一步研究量子引力、標(biāo)量場(chǎng)理論、第五種力等可能的新物理機(jī)制，尋找解釋暗能量變化的新理論。

結(jié)論：DESI的研究數(shù)據(jù)雖然在研究宇宙暗能量問(wèn)題上是一個(gè)重大突破，但還僅僅是一個(gè)開(kāi)始，后面還有大量的研究工作要做，宇宙未來(lái)的走向依然是一個(gè)謎。科學(xué)永遠(yuǎn)是在路上，永遠(yuǎn)沒(méi)有終點(diǎn)。但我們要相信的是，隨著科學(xué)研究的日益深入，人類(lèi)將獲知越來(lái)越多的宇宙奧秘，不斷接近真相。

有關(guān)宇宙的“生死”問(wèn)題，對(duì)短暫的人類(lèi)生命來(lái)說(shuō)，實(shí)在是一個(gè)太“遙遠(yuǎn)”的問(wèn)題。而且對(duì)于廣袤的宇宙來(lái)說(shuō)，地球連一粒塵埃也算不上，更別說(shuō)寄生在地球上的人類(lèi)了。因此有人可能會(huì)對(duì)探索宇宙歸宿如此大的問(wèn)題感到可笑，認(rèn)為是吃飽了沒(méi)事?lián)蔚摹５祟?lèi)雖然渺小，思維卻無(wú)限，在有限的生命里了解一下遙遠(yuǎn)的未來(lái)，以拓展我們的眼界和胸懷，又何嘗不是一件有意義的事情呢？歡迎討論。

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