問(wèn)題的起源：宇宙為何在加速膨脹？

宇宙探秘 · 2026-05-01

暗能量狀態(tài)方程：w 究竟等于多少？

一個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)，決定宇宙的終極命運(yùn)——是永恒膨脹、大撕裂，還是別的什么？

? 問(wèn)題的起源：宇宙為何在加速膨脹？

1998年，兩個(gè)相互獨(dú)立的天文學(xué)團(tuán)隊(duì)在研究Ia型超新星時(shí)，得出了一個(gè)令所有人震驚的結(jié)論：宇宙不僅僅在膨脹，而且膨脹正在加速。這與此前人們的預(yù)期完全相反——按照引力理論，膨脹應(yīng)該因物質(zhì)的引力作用而逐漸減速。

這一發(fā)現(xiàn)讓索爾·珀?duì)栺R特（Saul Perlmutter）、布萊恩·施密特（Brian Schmidt）和亞當(dāng)·里斯（Adam Riess）共同榮獲2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但他們的發(fā)現(xiàn)同時(shí)帶來(lái)了宇宙學(xué)中最大的謎題：是什么力量在推動(dòng)宇宙加速膨脹？

科學(xué)家將這種導(dǎo)致宇宙加速膨脹的神秘能量稱為"暗能量"。它占宇宙總能量的約68%，卻幾乎無(wú)法被直接探測(cè)。我們只能通過(guò)它對(duì)宇宙膨脹的影響來(lái)推斷它的性質(zhì)。

為了描述暗能量的物理本質(zhì)，宇宙學(xué)家引入了一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——暗能量狀態(tài)方程參數(shù) w。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的數(shù)字，蘊(yùn)含著宇宙命運(yùn)的全部秘密。

什么是狀態(tài)方程參數(shù) w？

在物理學(xué)中，流體（包括宇宙中的各種"成分"）的狀態(tài)由狀態(tài)方程（Equation of State）來(lái)描述，核心是壓強(qiáng)（P）與能量密度（ρ）之間的關(guān)系：

P = w · ρc2

w 是狀態(tài)方程參數(shù)（無(wú)量綱），ρ 是能量密度，c 是光速

對(duì)于不同的宇宙成分，w 的取值各不相同：

宇宙成分

w 值

物理意義

對(duì)膨脹的影響

普通物質(zhì)（塵埃）

w = 0

無(wú)壓強(qiáng)，靜態(tài)物質(zhì)

減慢膨脹

輻射（光子）

w = 1/3

光壓正壓強(qiáng)

強(qiáng)烈減慢膨脹

宇宙學(xué)常數(shù)（Λ）

w = -1

完美真空能，負(fù)壓強(qiáng)

恒定加速膨脹

精質(zhì)（Quintessence）

-1 < w < -1/3

動(dòng)態(tài)標(biāo)量場(chǎng)，負(fù)壓

加速膨脹（強(qiáng)度可變）

幻影暗能量（Phantom）

w < -1

超負(fù)壓，能量密度隨時(shí)間增大

超強(qiáng)加速，終致"大撕裂"

如果 w = -1，宇宙將永遠(yuǎn)加速膨脹并趨向"熱寂"。如果 w < -1，宇宙最終將在"大撕裂（Big Rip）"中終結(jié)——所有物質(zhì)，包括星系、恒星、原子，都將被撕裂。

當(dāng)前觀測(cè)的約束：w 是多少？

Planck 2018 最佳擬合值

±0.03

當(dāng)前測(cè)量不確定度（1σ）

68%

暗能量占宇宙總能量比

綜合Planck衛(wèi)星的宇宙微波背景輻射數(shù)據(jù)、超新星巡天數(shù)據(jù)和重子聲波振蕩數(shù)據(jù)，目前最佳的測(cè)量結(jié)果是 w ≈ -1，與宇宙學(xué)常數(shù)（愛(ài)因斯坦的Λ）完全吻合。

然而，2024年DESI暗能量光譜儀發(fā)布的最新數(shù)據(jù)卻帶來(lái)了一個(gè)令人不安的暗示：將不同紅移段的數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn) w 可能隨時(shí)間演化，意味著暗能量并非簡(jiǎn)單的常數(shù)，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)場(chǎng)。DESI的初步結(jié)果暗示 w 在早期宇宙中約為 -0.5 ~ -0.7，在晚期宇宙中更接近 -1。

這一結(jié)果尚未被確認(rèn)，爭(zhēng)議持續(xù)。如果最終證實(shí) w ≠ -1，將是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的根本性挑戰(zhàn)，意味著愛(ài)因斯坦的宇宙學(xué)常數(shù)并非宇宙真相的最終答案。

暗能量的理論候選者

宇宙學(xué)常數(shù)（Λ）：愛(ài)因斯坦最初引入Λ是為了保持宇宙靜態(tài)，后來(lái)放棄了。如今Λ以新的面貌回歸，被解釋為真空能。但理論預(yù)測(cè)的真空能量密度比觀測(cè)值高出約120個(gè)數(shù)量級(jí)——這是物理學(xué)史上最大的"精細(xì)調(diào)節(jié)"問(wèn)題。

精質(zhì)（Quintessence）：假設(shè)宇宙中存在一個(gè)隨時(shí)間演化的標(biāo)量場(chǎng)，其負(fù)壓強(qiáng)驅(qū)動(dòng)加速膨脹，且 w 可以在 -1 和 -1/3 之間變化。這類模型自然解釋了宇宙學(xué)常數(shù)問(wèn)題，但代價(jià)是引入了一個(gè)全新的未知場(chǎng)。

修改引力理論：也許根本不存在暗能量，而是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論在宇宙尺度上失效了。f(R)引力理論、額外維度模型等都試圖從引力本身出發(fā)解釋加速膨脹。

2024-2025年，歐拉歐幾里得衛(wèi)星（Euclid）和韋布空間望遠(yuǎn)鏡正在聯(lián)合提供前所未有的精密觀測(cè)數(shù)據(jù)，未來(lái)數(shù)年內(nèi)對(duì) w 的測(cè)量精度將提升5-10倍，屆時(shí)這些理論將面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

互動(dòng)話題：你覺(jué)得暗能量狀態(tài)方程最令人著迷的是哪點(diǎn)？

如果 w < -1，宇宙將在"大撕裂"中終結(jié)，好恐怖！

一個(gè)數(shù)字 w 就能決定宇宙的命運(yùn)，數(shù)學(xué)真的太奇妙了！

暗能量占宇宙的68%但人類對(duì)它幾乎一無(wú)所知，太神秘了

DESI的新數(shù)據(jù)暗示 w 在變化，這是推翻愛(ài)因斯坦的節(jié)奏？

宇宙的終極命運(yùn)取決于 w

暗能量狀態(tài)方程不是一個(gè)單純的學(xué)術(shù)問(wèn)題——它直接決定了宇宙最終會(huì)以何種方式走向終結(jié)。

如果 w = -1，宇宙將永遠(yuǎn)膨脹，最終在數(shù)十億億年后走向"熱寂"，所有恒星熄滅，黑洞蒸發(fā)，宇宙在寂滅中永恒漂流。如果 w < -1，宇宙將在有限時(shí)間內(nèi)被暗能量"撕碎"，連原子核也無(wú)法幸免。如果 w 隨時(shí)間演化，宇宙的命運(yùn)將更加復(fù)雜不可預(yù)測(cè)。

我們正處在宇宙學(xué)的黃金時(shí)代。在未來(lái)十年，Euclid衛(wèi)星、南極望遠(yuǎn)鏡、DESI和即將建成的平方公里陣列（SKA）將以前所未有的精度回答這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)那一天來(lái)臨，w 的真實(shí)面目將揭開(kāi)宇宙最深處的秘密。

參考信息來(lái)源

• Perlmutter et al. (1999), "Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae" — The Astrophysical Journal, 517, 565
• Planck Collaboration (2020), "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters" — A&A, 641, A6
• DESI Collaboration (2024), "DESI 2024 VI: Cosmological Constraints from the Measurements of Baryon Acoustic Oscillations"
• 維基百科 — 暗能量
• 歐空局 Euclid — Euclid Mission Overview
• 《宇宙的終結(jié)》— 卡特里奧娜·沃森（Cathriona Watson）著，機(jī)械工業(yè)出版社
• NASA Dark Energy — What is Dark Energy?