暗能量正在衰變？宇宙或將反向坍縮成“宇宙大擠壓”！

宇宙真的在加速膨脹嗎? 還是這一切其實只是一個錯覺? 有科學家提出一個驚人的可能 暗能量正在衰減 在過去二十多年裏 宇宙正在加速膨脹幾乎是天文學界的共識 1998年 科學家通過觀測遙遠的IA型超新星 發現它們的亮度比理論上預期的標準燭光更暗 這意味着 這些超新星比想象中更遠 也就代表宇宙的膨脹速度在增加 於是 人們推測存在一種神祕的反重力力量 正推動宇宙越來越快地擴張 這就是我們所說的暗能量 這一發現震撼了整個科學界 並最終獲得了2011年的諾貝爾物理學獎 但最近 來自韓國岩石大學的一項研究 卻顛覆了這一長期信念 研究團隊由天文學家李英旭教授領導 他們提出 宇宙可能並沒有繼續加速膨脹 而是已經進入減速膨脹的階段 這個結果正在挑戰整個現代宇宙學的根基 團隊在分析數百個IA型超新星的宿主星系後 發現這些超新星的亮度並不像我們想的那樣恆定 年輕星系中的超新星 普遍比年老星系中的略暗 也就是說 科學家過去把這些超新星 當作測量宇宙膨脹速度的標準燭光 其實可能存在系統性偏差 過去我們認爲更暗代表更遠 膨脹在加速 但如果超新星本身就更暗 那加速膨脹的結論可能被高估了 當研究團隊對這些偏差進行修正 並結合其他觀測數據 包括種子聲波震盪與宇宙微波背景輻射後 他們發現 修正後的結果與這些獨立觀測更一致 新的數據指向一個驚人的趨勢 宇宙的膨脹速度並沒有持續上升 而是在逐漸放緩 李教授在論文中寫道 我們的分析顯示 宇宙可能已經進入減速膨脹階段 而暗能量的強度也正在隨時間衰減 要知道 暗能量是當今宇宙學中最神祕 最難理解的概念之一 據估計 它佔據了整個宇宙能量的七成 是讓星際彼此遠離的主要動力 但它究竟是什麼 是什麼 是某種能場 某種粒子 還是時空本身的屬性 到現在 科學界仍然沒有答案 傳統的λCDM宇宙模型 假設暗能量是一種常量 強度恆定 永遠推動宇宙膨脹 然而這項新研究表明 暗能量的作用也許並非一成不變 它可能會隨着時間而減弱 而且 這並非孤立的發現 今年早些時候 美國暗能量光譜一計劃 也提出類似的結論 他們通過分析數百萬個星系的分佈發現 暗能量的效應似乎在隨時間變化 現有的標準模型 已經無法完全解釋觀測結果 嚴氏大學的研究進一步指出 當我們考慮恆星年齡的影響後 原本被認爲是加速膨脹的宇宙 可能其實已經開始減速 這一消息一出 立刻在天文學界掀起巨大討論 支持者認爲 這項研究或許能爲長期困擾科學家的 哈勃張力問題提供關鍵線索 所謂哈勃張力 就是不同測量方法得到的宇宙膨脹速率 始終對不上號 而這種系統性偏差 可能正是導致差異的原因 但也有許多天文學家保持謹慎態度 他們指出 這項研究雖然大膽 但還稱不上顛覆性發現 正如一位研究者所說 這確實是一個有趣的信號 但還不能說宇宙學被推翻了 這種謹慎是有理由的 首先 這項研究依賴的是星系平均年齡的估算 而不是每個超新星的精確測量 星系的演化受恆星形成率 金屬丰度 塵埃含量等多種因素影響 這些複雜變量都可能影響亮度的修正精度 其次 他們使用的超新星樣本規模依然有限 紅移範圍也不足以完整反映早期宇宙的狀態 嚴實大學的校正方法 雖然在理論上改進了系統誤差 但依舊建立在模型推導上 而非直接觀測 換句話說 這一節論目前還存在相當的不確定性 更關鍵的是 即便暗能量真的在衰減 也不代表宇宙就一定會反向坍縮或進入大擠壓階段 它確實爲我們提供了一個新的方向 但距離真正顛覆宇宙學的根基 還有很長的路要走 早在20世紀20年代 第一批關鍵證據出現 揭示了我們所處現實的一個真相 而我們至今仍對此深信不疑 宇宙正在膨脹 這一簡單的事實引發了一系列後續發現 熱宇宙大爆炸 宇宙微波背景輻射 宇宙大尺度結構在漫長宇宙時間中的演化等等 它也引出了一個深刻的生存問題 宇宙將如何終結 如果宇宙正在膨脹 事實的確如此 並且膨脹速度隨着時間推移而減緩 證據也支持這一點 那麼在遙遠的未來會發生什麼 宇宙的膨脹會永遠持續下去嗎 它會繼續減緩 還是會再次加速 如果宇宙的膨脹速度確實減緩了 它會最終降至零 然後逆轉嗎 最後一種情況 曾經被許多人所接受 會導致一系列類似於逆向宇宙大爆炸的現象 也就是所謂的宇宙大坍縮 許多人曾認爲 隨着暗能量的發現 以及暗能量與宇宙常熟的一致性 大坍縮理論與我們觀測到的宇宙實際形態相矛盾 但最新的DESI數據顯示 暗能量不僅在演化 而且目前可能正在減弱 這使得許多人重新審視了這一一度被否定的理論 這種做法是否合理 在許多探討宇宙常熟可能並非恆定不變 尤其是可能正在經歷近期減弱 德科普文章中 下一句話總是會提到 這可能意味着宇宙最終會走向大坍縮 但爲什麼這會成爲人們默認的未來情景呢 這是一個大問題 大坍縮這個問題可以說是整個宇宙中最重大的問題之一 大坍縮作爲一種潛在的未來情景 現在或許並非不可能 但它距離成爲首選結果還很遠 觀景思想歸根結底在於愛因斯坦廣義相對論的基本東見 首先空間和時間本身交織在一起 構成一個單一的思維結構 稱爲時空 其次 時空的性質 包括其彎曲方式和演化方式 取決於存在於該時空中的所有物質和能量的總量及其分佈 第三 正是時空本身的彎曲和演化決定了其中存在的物質和能量的運動和演化方式 這並非關於廣義相對論如何運作的循環論證 而是一個非常有力的論斷 它概括了大多數物理系統 特別是受微分方程支配的物理系統的實際運作方式 我們通常需要做的 是從一個物理系統在某一時刻的某種構性開始 我們需要知道物質和能量有哪些形式 它們的位置和分佈情況 它們的密度是多少 以及它們在某一特定時刻的運動變化情況 然後,基於這些信息 我們可以計算出下一時刻系統的狀態 包括我們感興趣的所有物理量在這一時刻的變化情況 接着,當下一個時刻到來時 同樣的方程 只是帶入了新的數值 就能告訴我們之後每個時刻會發生什麼 我們可以一直這樣做下去 直到我們滿意爲止 這之所以稱爲可能 是因爲我們明確地知道等時兩邊之間的關係 愛因斯坦場方程告訴我們這些關係的一般規律 而對於一個各項同性或平均而言 在所有方向上都相同、均勻或平均而言 在所有空間位置都相同且膨脹 任意兩個相距較遠的點之間的距離 隨時間以特定速率增加的宇宙而言 我們得到了這些場方程的一個特例 弗裏德曼方程 正是通過使用這些方程 同樣,這是一組偶合的微分方程 我們才能利用今天對宇宙的觀測結果 來推斷它在遙遠的未來將如何演化 在很長一段時間裏 可以說貫穿整個二十世紀 如果你問宇宙學家他們領域的最大目標是什麼 他們會告訴你 是測量和確定兩件事 第一件事是宇宙膨脹的速度 第二件事則是宇宙膨脹速率在其歷史進程中的變化 所謂的減速參數 或者宇宙中各種能量形式的比例 有了這些信息 我們就可以利用直接原子愛因斯坦理論的方程 推算出我們宇宙未來的整個演化歷史 歷史上 這一爭論經歷了許多階段 二十世紀下半夜爆發的哈勃之爭中 人們爭論宇宙目前的膨脹速度究竟是50到55公里 每秒每百萬秒差距 還是100公里每秒每百萬秒差距 這場爭論意義重大 因爲如果宇宙完全由物質和輻射構成 當時普遍認爲如此 那麼以100公里每秒每百萬秒差距的速度 膨脹的宇宙必然非常年輕 大約只有100億年 比之最古老的恆星還要年輕幾十億年 另一方面 如果宇宙的膨脹速度只有50到55公里每秒每百萬秒差距 那麼宇宙就不可能完全由物質和輻射構成 因爲它會非常古老 大約有200億年 比之最古老的恆星還要古老幾十億年 宇宙中除了物質和輻射之外 必然存在其他形式的能量 它不可能是按物質、黑洞、中微子或標準模型中已知的任何其他粒子 它一定是某種外來物質 許多人提出空間區域可以彌補這一缺陷 從而解釋宇宙的年齡只有140億到160億年 但其中大部分能量並非以物質或輻射的形式存在 談到宇宙的命運 物質和輻射的實際密度與膨脹速率之間的關係 其中膨脹速率定義了一個臨界密度 即如果宇宙完全由物質構成 那麼臨界密度就是宇宙坍縮與無限膨脹之間的臨界點 至少從理論角度來看 將決定一切 大多數研究過這個問題的理論宇宙學家都指出 宇宙的命運主要有三種可能 它們的開端相同 在熱大爆炸之初 宇宙開始快速膨脹 其內部物質和輻射的密度開始下降 但隨着膨脹的繼續 會出現三種值得關注的情況 宇宙的物質密度可能略高於臨界密度 這意味着宇宙密度過高 物質能量密度超過了初始膨脹速率所能承受的範圍 這將導致宇宙膨脹到最大尺寸後停止膨脹 然後坍縮 最終發生大坍縮 宇宙的物質密度可能略低於臨界密度 這意味着宇宙密度偏低 物質能量密度太小 不足以抵消初始膨脹速度 這將導致宇宙永無止境地持續膨脹 膨脹速度趨近於零 但永遠不會達到零 或者 宇宙可能處於金髮姑娘狀態 即物質密度和膨脹速度相互抵消且完美匹配 在這種情況下 宇宙將以儘可能慢的速度持續膨脹 且永遠不會坍縮 然後 在20世紀90年代末 來自I型超新星的關鍵數據出現了 哇 真是令人驚訝 數據支持這三種假設中的哪一種 都不支持 通過觀測越來越遙遠的天體 並測量這些遙遠信號的距離和紅移 我們不僅可以重見宇宙當前的膨脹速度 這個問題在2001年得到了解決 約爲72公里每秒每百萬秒差距 表明哈勃之爭中的雙方都錯了 還可以觀察到 宇宙膨脹速度隨時間的變化 以及宇宙中存在的不同形式的物質和能量 宇宙並非僅僅由物質和輻射構成 即使包括暗物質 黑洞 中微子 以及標準模型中所有成分 相反 宇宙中還存在另一種成分 它的行爲方式與其他所有成分截然不同 暗能量 雖然其他所有形式的能量都會隨着宇宙膨脹 而密度降低 物質的總能量要麼保持不變 要麼隨着宇宙體積的膨脹而減少 例如輻射 因爲其波長會拉長 從而降低了單位體積的能量 也就是能量密度 但對於暗能量而言 能量密度卻保持不變 這與愛因斯坦在其廣義相對論最初表述中提出的宇宙常數相同 即使宇宙膨脹 並且在此過程中產生了新的空間 暗能量的密度也從未降低 這徹底改變了一切 物質和輻射密度與臨界密度的比較不再能決定宇宙的命運 暗能量處發了一種截然不同的局面 只要物質和輻射占主導地位 宇宙的膨脹速率就會隨着膨脹而下降 因爲整體能量密度會降低 但一旦暗能量佔據主導地位 宇宙的膨脹速率就不會再下降 而是趨近於一個正的有限值 此前,當物質和輻射占主導地位時 你可以觀測宇宙中的任何星系 並觀察到其時退行速度隨時間推移而降低 即使它與你的距離不斷增加 而當暗能量佔據主導地位時 該星系遠離你的速度反而會加快 這就是天文學家稱之爲宇宙加速膨脹的原因 雖然大多數數據都充分支持暗能量 在很長一段時間內保持恆定的能量密度 包括來自宇宙微波背景輻射和遙遠A型超新星的數據 但近期關於宇宙大尺度結構的數據卻表明並非如此 最新的暗能量光譜一數據的最佳擬合結果表明 暗能量並非恆定不變 而是存在一種特殊的形式 最初能量略高於宇宙常數 之後能量逐漸減弱 近期又略低於宇宙常數 而現在似乎還在進一步減弱 這真是一個令人匪夷所思的故事 而且意義深遠 至少如果我們確信這就是實際情況 那將會產生深遠的影響 如果宇宙中不存在能量密度保持不變的恆定暗能量 而是存在不斷演化的暗能量 那麼確定宇宙命運的唯一方法 就是預測並精確理解這種暗能量未來的演化方式 但是由於我們用來描述宇宙膨脹的方程是基於我們 理解能量密度如何隨着宇宙體積增大而演化的假設 我們現在陷入了不確定性的漩渦之中 如果就理論不再可靠 我們所能找到的最佳指導就是基於可觀測 可測量的數值來構建我們對這種暗能量的最佳模型 但這恰恰是我們目前所擁有的德西數據存在的問題 它的質量不足以得出確鑿的結論 當然我們討論過暗能量如何以多種方式演化 它最初比宇宙常數略強 然後逐漸減弱 如今仍在減弱 例如它可以繼續減弱 但仍保持加速膨脹的作用 繼續減弱並從加速膨脹轉變爲減緩膨脹 最終導致類似於之前金髮姑娘情景的傳統熱劑 繼續減弱並開始表現爲減速作用 如果暗能量的狀態方程變得很大且爲正值 甚至可能導致宇宙大坍縮 停止減弱 最終導致宇宙膨脹持續加速 或者停止減弱並再次增強 甚至比宇宙常數更強 最終導致宇宙大撕裂 所有這些情景 以及介於兩者之間的所有情況 都仍然存在可能性 但問題在於我們掌握的證據實際上有多麼薄弱 在粒子物理學和天體物理學中 我們對一項新發現的認定標準非常高 統計顯著性必須超過我們所說的五夕格碼預知 這意味着統計顯著性必須達到誤差範圍僅爲偏離 0假設所需誤差範圍的五分之一甚至更小 在這種情況下 出現統計偶然性的概率只有大約三百萬分之一 那麼就我們所觀察到的信號強度而言 DACI數據究竟如何呢? 這取決於你將其與其他哪些數據結合起來 如果不與其他任何數據結合起來 那麼這個信號就非常微弱 勉強超過二夕格碼預知 或者從天體物理學的角度來看 它或許可以作爲本科生暑期科研項目的賭注 但絕不會用於更高級別的研究 如果將它與宇宙微波背景輻射數據結合起來 信號強度會略微提升 超過三夕格碼預知 這相當於一個研究生博士論文的賭注 但是 如果將它與超新星數據結合起來 就必須記住 目前存在三個不同的超新星數據集 分別來自Pentium、DES-1和雍研 其中一個數據集將顯著性提升至四夕格碼 一個數據集將顯著性保持在三夕格碼左右 而最後一個數據集則將顯著性降低至僅2.5夕格碼 換句話說 數據質量遠不足以得出暗能量肯定在演化這樣的結論 認爲我們現在可以斷言暗能量是如何演化的 以及數據是否支持大坍縮還是永恆膨脹和熱擊 這種想法不僅缺乏現有數據的知識 而且完全是荒謬的 然而 這仍然是一種值得考慮和探討的可能性 心理學中有一句古老的格言 雖然不是物理學中的 那就是預測未來行爲的最佳方法是參考過去的行爲 在宇宙膨脹的背景下 宇宙過去的演化行爲是我們唯一能夠用來理解未來走向的有效數據 但是 在大爆炸發生138億年後的今天 我們只能看到演化曲線的一部分 從我們能夠測量的最早時期到今天這段時間 除此之外 我們只能進行推斷 這意味着我們有責任負責任地進行推斷 一方面 我們希望使用我們擁有的最佳數據 並明確說明對這些數據的最佳擬合結果所揭示或暗示的宇宙未來演化走向 但另一方面 我們也希望坦誠地承認這些數據的不確定性和誤差範圍 並衡量我們表達結果的自信度 如果我們這樣做 我想留給大家以下幾點思考 暗能量是否正在演化尚未得到證實 如果我們能夠證實這一點 像SPATRX、EUCLID、Roman和Rubin這樣的新型天文臺應該能夠幫助我們證實或否定這一觀點 那麼關鍵問題在於暗能量是如何演化 以及它如今似乎仍在演化的 如果我們能夠測量這種演化 下一步就是在誤差和不確定性的範圍內 推斷這種演化在未來將如何進行 如果你想知道我們的宇宙是否正走向大坍縮 我們首先必須證實暗能量正在演化 其次要證明它過去更強 現在正在減弱到甚至不如宇宙常數重要 之後我們還需要分析數據 看看數據是否支持宇宙演化爲大坍縮 而不是熱劑或其他狀態 目前我們沒有任何這方面的跡象 創造力固然重要 尤其是在構思的早期階段 但同樣重要的是要以數據爲指導 而不是受個人希望或偏好作用 一旦我們開始依賴出現有證據之外的任何因素 我們就停止了科學研究 而僅僅陷入了臆測 隨着宇宙的誕生 空間在不斷地膨脹 向外擴張 宇宙變得越來越大 我們無法確知這一切是如何運行的 也不知道爲什麼會發生 以後是否會持續膨脹也不確定 但是如果宇宙不再繼續膨脹 而且出現逆轉的時候 將會發生什麼呢 現在宇宙不止在膨脹 而且其膨脹在不斷地加速 事實上 一些離得足夠遠的星系 正在一筆光速更快的速度遠離我們 科學家們通過研究遙遠星系的光的變化情況 來計算宇宙的膨脹 在這些研究中 都假設我們是中心點 一切事物都在遠離我們 但是實際上 空間並不是從一個特定的位置向外膨脹擴張的 如果是這樣的話 我們就能非常容易地倒退出真正的宇宙中心 或是大爆炸在哪裏發生 事實上 儘管它的名字聽起來像一場爆炸 但大爆炸並不是簡簡單單的物質爆炸 它在過去和現在 實質上都是一種膨脹 這就意味着 現在空間擴張無處不在 任意兩點之間的距離都變遠了 在我們發現宇宙膨脹加速前 科學家們認爲 只有一種方法能夠阻止宇宙向外擴張 那就是確保有足夠的質量 使得重力能夠超越膨脹的速率 從而迫使物質向其自身方向收縮 科學家將這種情況下的物質數量稱爲臨界密度 也就是宇宙膨脹或收縮的變化點 然而 在我們發現宇宙加速膨脹後 一切都改變了 也引出了暗能量的理論 暗能量被認爲是驅動宇宙膨脹的動力 從現在的研究來看 想要宇宙開始收縮 要麼暗能量消失 要麼暗能量改變其運行方式 考慮到目前還有很多未知的因素 因此有可能會發生宇宙收縮 一些模型預期暗能量最終將不再是排斥力 而成爲吸引力 從而導致宇宙向內收縮 如果這樣的話 我們可能就不需要花費那麼多時間去關注這個問題了 現在 我們能看到宇宙顯然正在膨脹 因爲我們觀測到衆多星系發生了紅移 由於多普勒效應 當天體遠離觀測者時 由其發出的光波被拉長 頻率變低 使其顯得更紅 而當天體離觀測者越來越近時 其光波隨運動而壓縮 併產生更高更藍的頻率 從而顯得更藍 這自然就是藍移 如果宇宙真的開始壓縮 那麼整個宇宙都將有跡可循 從某種程度上來說 宇宙的一切都在緩慢一項 我們這種想法挺激動人心的 但實際上那也將會是一個惡兆 當宇宙中的物體 即每一個星系 恆星 行星 都被拉向我們的時候 從地球的角度來看 就會出現這樣的情況 我們彷彿某種超大黑洞 將每一顆物質都拽向我們 使之無法逃逸 假如我們是在宇宙的其他地方 那麼我們也會在那擁有同樣的體驗 所有存在的一切都會和其他事物相撞 也就意味着宇宙盡頭如顧名思一般 只是時間問題了 所以在此情況下 如果我們可以算出壓縮的速度 那麼我們就能知道宇宙還能存在多長時間 而那時末日之鐘聲也將進入倒數 但是我們對此能做些什麼呢 更甚者說我們是否能理解這種現象呢 或許我們該問的第一個問題是 宇宙膨脹爲什麼停止了 暗能量一定是出什麼問題了 要麼是其行爲模式發生了改變 要麼是暗能量消失了 事實上 暗能量佔整個宇宙能量的68% 那麼任何變化都會影響深淵 一種可能性是暗能量由於某些原因 轉化成了暗物質 但實際上 一些研究人員認爲正在發生着的 卻是相反的情況 即暗物質正在衰變爲暗能量 使得宇宙中的暗能量不斷增加 據估計 暗物質甚至可能在數十億年後的某天將完全消失 轉變爲暗能量 但是對於今天的問題 宇宙壓縮 來說 我們需要弄清楚的是這種假想轉變的逆過程 即暗能量變爲暗物質並不斷減少的過程 然而 減少一些不必要的假設 我們最好將暗能量設想爲一種奇值恆定的能量 這也是當前科學觀測的推斷 假設宇宙開始坍縮 而宇宙的坍縮將會導致暗能量的下降 那麼這個假設則會被直接推翻 但也有些更容易接受宇宙坍縮說的暗能量理論 其中就包括第五元素論 他認爲暗能量更像是一種能量場 第五元素論也壓倒了引力和當前的宇宙膨脹說 但是 假設暗能量 由於某種原因 隨着時間的推移而減弱 那麼宇宙的終極命運仍然可能是停止膨脹 空間也會回到宇宙爆炸最開始的起點 在科普宇宙學大實踐年曆中 這次重大轉向被稱爲大擠壓 這種說法也是宇宙終結的衆多可能性之一 在大擠壓期間 儘管與預估的情況有所不同 但大擠壓的開始到結束仍可能需要數十億年的時間 恆星之間的距離將會縮短 這就意味着地球上的我們將能夠在這個 絕無僅有的時機下探索地球以外的其他地方 以及宇宙中的地外生命 前提是如果地外生命存在的話 目前爲止 太空旅行的速度和距離都被光速所限制着 而恆星之間不斷擴張着的廣闊距離 則意味着宇宙之中仍有諸多的星系 是我們未曾見識過 也未曾探測到的 假設宇宙探索論是正確的 那麼隨着時間的推移 宇宙膨脹的速度也會越來越慢 宇宙中萬事萬物的距離都將會越來越近 這也意味着我們能夠更簡潔有效地進行探測 或是與地外交流 在未來 人類也許會不斷地發展 最後成爲星際種族 而在宇宙終將坍縮的命運轉折之下 也許只有在宇宙已經開始坍縮毀滅的時候 人類才能找到地外智慧生命存在的證明 這對於人類來說 的確是一個悲哀的事實 但在積極的方面來看 宇宙的坍縮或許能爲人類有限 生命中一些宏大的未知提供回答 宇宙坍縮也有可能被視爲一種證據 即宇宙的大小其實是有限制的證據 同樣這可以被看作宇宙其實具有邊緣的證據 至少 倘若宇宙終將會向內坍縮 那麼宇宙中的確會存在着一個終點 而在宇宙迴歸於這個終點時 它也將如同這世間的萬事萬物一樣 將迎來它的死亡和毀滅 除非你認同宇宙大爆炸理論 這個理論假設 宇宙實際上處於無止休的膨脹和坍縮循環之中 所以 如果宇宙開始向內坍縮 宇宙中的一切都不會隨之毀滅 因爲它們將在宇宙新一輪的膨脹與坍縮中再次出現 而在新一輪宇宙循環中再次出現的人類 只會對於上一次循環一無所知 不過毫無疑問的是 如果有一天宇宙確實開始坍縮 那麼地球上的生靈只能束手無策 因爲無人可以阻止或者逆轉宇宙的進程 除非以某種方式完全遷移到另一個宇宙 當然這也要以多重宇宙的確存在爲前提 真相是我們將會一直受困於此 等待我們的是宇宙收縮的到來 而未來發生的一切猶如疑雲彌補 最終構成我們和我們日常生活的所有粒子都將被凝聚 回到最初的地方 這或許是爲了循環和重啓 或許只是爲了在起點中度過永恆 宇宙一旦開始收縮 一切都將接踵而至 如果暗能量真的在衰減 那宇宙的加速膨脹可能只是短暫的假象 當這股力量徹底消失的那一天 星系之間的距離將不再拉開 而是開始回落 一切從大爆炸開始 也終將歸於一次大擠壓 也許新的宇宙就誕生在那之後