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

DESI實際是一臺暗能量光譜儀，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，這種力量在過去的理論中被假設(shè)為虛空中的固有屬性，不會隨著時間而改變，因此是一個“宇宙學(xué)常數(shù)”，這個“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，在過去45億年間竟然減弱了10%，這個發(fā)現(xiàn)當(dāng)然就驚人了，它不但對天文學(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。英國愛丁堡大學(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)面臨解釋這個問題的挑戰(zhàn)”。

所謂ΛCDM模型，是指一個包含暗能量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)動宇宙的加速膨脹。這個宇宙模型早已成為科學(xué)界主流理論，被稱為標(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（如超新星測量、宇宙微波背景輻射等）都支持暗能量是宇宙學(xué)常數(shù)（Λ），即其密度不會隨時間變化。但現(xiàn)在DESI 的研究結(jié)果暗示，暗能量可能隨著時間在衰減，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制：如果暗能量的密度確實在變化，可能涉及到某種動力學(xué)暗能量模型，例如第五種力（第五作用）。也就是說，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，暗能量類似某種場（如“量子標(biāo)量場”）的行為，而不是恒定的常數(shù)，其中的衰變原理也值得研究。

作為科普，我想讀者們也不想過分深究這些深奧的理論問題，時空通訊就只說說這次發(fā)現(xiàn)，有可能對宇宙未來歸宿的影響。

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

一、熱寂說（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，溫度接近絕對零度，所有物理過程停止，宇宙成為一個冰冷而死寂的虛空。

宇宙這種“死法”，預(yù)測壽命最長，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，本星系群成為宇宙唯一可觀測結(jié)構(gòu)。
• 10^14 年（100 萬億年），最后的恒星燃盡，宇宙進(jìn)入“黑暗時代”。
• 10^30年，黑洞蒸發(fā)（霍金輻射），宇宙幾乎只剩虛無的基本粒子。
• 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（即仍然推動膨脹），那么宇宙的膨脹速度可能會降低，但不會完全停止。這樣的話，星系之間仍然會相互遠(yuǎn)離，最終宇宙仍然進(jìn)入“熱寂”（Big Freeze），壽命可能更長。

二、大坍縮說（Big Crunch）

如果暗能量在減少，那么加速膨脹可能會減弱，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（即暗能量不再推動宇宙膨脹，反而變成收縮的驅(qū)動力），那么引力將逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

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

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

• 10^11年（1000 億年后），宇宙的膨脹完全停止，開始收縮。
• 10^12年（10000億年后），星系、恒星、行星、黑洞等所有物質(zhì)被擠壓回一個高密度狀態(tài)。
• 最終10^13年內(nèi)（10萬億年內(nèi)），宇宙可能塌縮回一個奇點，形成類似“大爆炸”的狀態(tài)。

三、大撕裂說（Big Rip）

如果暗能量的密度不是恒定的，而是隨著時間增加暗能量不斷變強（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，那么暗能量的斥力會不斷增強，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)測壽命約 10^9-10^10年（10-100 億年），這是一種“最短命的死法”，其過程大致如下：

• 10億年后，星系被撕碎，恒星和行星無法維持穩(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)，宇宙空間本身無限膨脹，時間和空間都被摧毀，物理法則全部失效。

四、穩(wěn)態(tài)-膨脹停止說（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慢慢停止，進(jìn)入一個“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”。宇宙這種“死法”預(yù)測壽命約約 10^12-10^20 年（1 萬億年 - 1000 萬億年），其過程大致如下：

• 宇宙膨脹趨于平衡，不再加速，但不會明顯收縮。
• 星系仍然存在，但隨著時間推移，宇宙會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“無限循環(huán)的振蕩宇宙”與“有限周期的振蕩宇宙”之說，是認(rèn)為宇宙會經(jīng)歷收縮-反彈-膨脹的循環(huán)。前者是說收縮、反彈、膨脹不斷循環(huán)，壽命無限，宇宙沒有真正的起點和終點；后者是說宇宙可能只經(jīng)歷一次反彈，即它來自于之前的一個收縮階段，但不會無限循環(huán)，而是在當(dāng)前的膨脹階段持續(xù)下去。這種“死法”或“不死”就不展開講了。

現(xiàn)在，科學(xué)探測和研究確定暗能量并非恒定的常數(shù)，而是在過去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)界對此并沒有一個結(jié)論，認(rèn)為還需要進(jìn)一步觀測和研究。

因為，迄今為止，暗能量的變化趨勢尚不明確，DESI 的數(shù)據(jù)只是初步結(jié)果，還需要進(jìn)一步確認(rèn)。未來的發(fā)展，很可能有如下趨勢：暗能量密度并不會繼續(xù)快速下降，那么宇宙仍然會保持膨脹，哪怕速度變慢；如果暗能量不是一個恒定的常數(shù)，而是一個隨時間演化的場（如“標(biāo)量場”），那么它的變化可能是周期性的，甚至可能在未來反彈，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，需要建立更多獨立的實驗室，來進(jìn)一步驗證這一發(fā)現(xiàn)。如利用歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡、維拉·魯賓天文臺、羅曼空間望遠(yuǎn)鏡等，來更精確地測量宇宙膨脹歷史，檢驗 DESI 結(jié)果是否真實；還要進(jìn)一步研究量子引力、標(biāo)量場理論、第五種力等可能的新物理機制，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題上是一個重大突破，但還僅僅是一個開始，后面還有大量的研究工作要做，宇宙未來的走向依然是一個謎。科學(xué)永遠(yuǎn)是在路上，永遠(yuǎn)沒有終點。但我們要相信的是，隨著科學(xué)研究的日益深入，人類將獲知越來越多的宇宙奧秘，不斷接近真相。

有關(guān)宇宙的“生死”問題，對短暫的人類生命來說，實在是一個太“遙遠(yuǎn)”的問題。而且對于廣袤的宇宙來說，地球連一粒塵埃也算不上，更別說寄生在地球上的人類了。因此有人可能會對探索宇宙歸宿如此大的問題感到可笑，認(rèn)為是吃飽了沒事?lián)蔚摹５祟愲m然渺小，思維卻無限，在有限的生命里了解一下遙遠(yuǎn)的未來，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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