科学发现暗能量竟在减少，宇宙之死或另有变数？

3月19日，科学家们公布了一项重大观测研究成果——宇宙中的暗能量在过去45亿年中已经减弱了10%。这个重大发现是由坐落在亚利桑那州图森附近的基特峰国家天文台DESI望远镜，基于三年的观测数据采集分析研究得出的。

DESI实际是一台暗能量光谱仪，而暗能量被认为是宇宙膨胀，使星系加速远离彼此的神秘力量，这种力量在过去的理论中被假设为虚空中的固有属性，不会随着时间而改变，因此是一个“宇宙学常数”，这个“常数”被用于宇宙标准模型。

暗能量从永恒不变的“常数”，突然发现并非如此，在过去45亿年间竟然减弱了10%，这个发现当然就惊人了，它不但对天文学界广泛接纳的宇宙ΛCDM模型提出了重大挑战，甚至可能影响到经典物理学的根基。英国爱丁堡大学的天文学家、苏格兰皇家天文学家凯瑟琳·海曼斯惊呼：“物理学家已经面临解释这个问题的挑战”。

所谓ΛCDM模型，是指一个包含暗能量C（Cold Dark Matter）、冷暗物质D（Dark Matter）和普通物质 M（Matter）的宇宙，前面的Λ则代表宇宙学常数（Cosmological Constant），通常与暗能量（Dark Energy）相关，它驱动宇宙的加速膨胀。这个宇宙模型早已成为科学界主流理论，被称为标准宇宙模型，成功地解释了宇宙微波背景辐射（CMB）、大尺度结构和宇宙的演化。

在这之前，所有的观测（如超新星测量、宇宙微波背景辐射等）都支持暗能量是宇宙学常数（Λ），即其密度不会随时间变化。但现在DESI 的研究结果暗示，暗能量可能随着时间在衰减，这与标准模型的假设相矛盾，不啻于在科技界释放了一颗核弹。

除了对标准宇宙模型的冲击，这次发现或许还隐逸着新的物理机制：如果暗能量的密度确实在变化，可能涉及到某种动力学暗能量模型，例如第五种力（第五作用）。也就是说，除了经典物理学中已经发现的四种基本力，即引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力，可能还存在新的力主导着宇宙膨胀。而且，暗能量类似某种场（如“量子标量场”）的行为，而不是恒定的常数，其中的衰变原理也值得研究。

作为科普，我想读者们也不想过分深究这些深奥的理论问题，时空通讯就只说说这次发现，有可能对宇宙未来归宿的影响。

一直以来，科学界对宇宙的归宿有多种猜想，集中起来主要有四种可能：一是“热寂”说，二是“大撕裂”说，三是“大坍缩”说，四是“稳态说”。

一、热寂说（Big Freeze）

宇宙一直膨胀下去，或者即便速度放缓，还是继续膨胀，最终的结局就是热寂。所谓热寂，就是宇宙永远扩张，最终星系和一切天体变得极限稀疏，并渐渐熄灭，温度接近绝对零度，所有物理过程停止，宇宙成为一个冰冷而死寂的虚空。

宇宙这种“死法”，预测寿命最长，将大于10^100年（至少 10 的一百次方年）。如果暗能量是宇宙学常数（Λ），即它的密度始终不变，那么宇宙将永远加速膨胀，最终进入“热寂”状态，其过程大致如下：

• 10^11 年（1000 亿年），遥远星系因加速膨胀变得不可见，本星系群成为宇宙唯一可观测结构。
• 10^14 年（100 万亿年），最后的恒星燃尽，宇宙进入“黑暗时代”。
• 10^30年，黑洞蒸发（霍金辐射），宇宙几乎只剩虚无的基本粒子。
• 10^100 年，所有物质彻底消失，宇宙接近完全熵死。
• 如果暗能量的密度继续下降，但仍然保持正值（即仍然推动膨胀），那么宇宙的膨胀速度可能会降低，但不会完全停止。这样的话，星系之间仍然会相互远离，最终宇宙仍然进入“热寂”（Big Freeze），寿命可能更长。

二、大坍缩说（Big Crunch）

如果暗能量在减少，那么加速膨胀可能会减弱，甚至有一天可能逆转，导致宇宙重新收缩，进入“大坍缩”（Big Crunch）模式。这种理论认为，如果暗能量的密度下降得足够快，甚至最终变成负值（即暗能量不再推动宇宙膨胀，反而变成收缩的驱动力），那么引力将逐渐占据主导地位。

一旦引力开始超过膨胀的动力，宇宙的膨胀将停止，并开始收缩，星系、恒星、行星都会逐渐靠拢。最终，整个宇宙可能会坍缩回一个极端高密度、高温的状态，回归宇宙爆炸前的奇点。这类似于大爆炸的“逆过程”，甚至可能触发新的宇宙大爆炸，形成一个“周期性宇宙”。

宇宙这种“死法”，预测寿命约 10^11-10^12 年（1000 亿- 10000 亿年），其过程大致如下：

• 10^11年（1000 亿年后），宇宙的膨胀完全停止，开始收缩。
• 10^12年（10000亿年后），星系、恒星、行星、黑洞等所有物质被挤压回一个高密度状态。
• 最终10^13年内（10万亿年内），宇宙可能塌缩回一个奇点，形成类似“大爆炸”的状态。

三、大撕裂说（Big Rip）

如果暗能量的密度不是恒定的，而是随着时间增加暗能量不断变强（即“幻影暗能量”模型Phantom Dark Energy），这是一种假设的暗能量形式，它的状态方程参数ω（即暗能量的压力与能量密度之比））小于1时，那么暗能量的斥力会不断增强，最终导致宇宙内的所有结构被撕裂。

宇宙这种“死法”，预测寿命约 10^9-10^10年（10-100 亿年），这是一种“最短命的死法”，其过程大致如下：

• 10亿年后，星系被撕碎，恒星和行星无法维持稳定轨道。
• 50-80亿年后，原子和亚原子结构被撕裂，物理定律失效。
• 100亿年内，宇宙空间本身无限膨胀，时间和空间都被摧毁，物理法则全部失效。

四、稳态-膨胀停止说（Static Universe）

如果暗能量逐渐减少，并最终降为零，那么宇宙的膨胀速度会慢慢停止，进入一个“准稳态”。宇宙这种“死法”预测寿命约约 10^12-10^20 年（1 万亿年 - 1000 万亿年），其过程大致如下：

• 宇宙膨胀趋于平衡，不再加速，但不会明显收缩。
• 星系仍然存在，但随着时间推移，宇宙会变得更加冷漠和黑暗，宇宙可能仍然逐渐进入“热寂”，但速度比标准模型预测的要慢很多。
• 黑洞和中子星最终主导宇宙结构，最终进入黑洞蒸发的阶段（10³⁰ - 10¹⁰⁰ 年）。

宇宙最终归宿，除了以上四种，还有“无限循环的振荡宇宙”与“有限周期的振荡宇宙”之说，是认为宇宙会经历收缩-反弹-膨胀的循环。前者是说收缩、反弹、膨胀不断循环，寿命无限，宇宙没有真正的起点和终点；后者是说宇宙可能只经历一次反弹，即它来自于之前的一个收缩阶段，但不会无限循环，而是在当前的膨胀阶段持续下去。这种“死法”或“不死”就不展开讲了。

现在，科学探测和研究确定暗能量并非恒定的常数，而是在过去45亿年间已经减少了10%，就可以断定宇宙终将停止收缩，最终走向大坍缩的归宿吗？科学界对此并没有一个结论，认为还需要进一步观测和研究。

因为，迄今为止，暗能量的变化趋势尚不明确，DESI 的数据只是初步结果，还需要进一步确认。未来的发展，很可能有如下趋势：暗能量密度并不会继续快速下降，那么宇宙仍然会保持膨胀，哪怕速度变慢；如果暗能量不是一个恒定的常数，而是一个随时间演化的场（如“标量场”），那么它的变化可能是周期性的，甚至可能在未来反弹，重新加速膨胀。

而且，现代宇宙学仍然不完全理解暗能量的本质。如果未来理论物理学发现暗能量与第五种力、额外维度、量子引力效应等相关，宇宙的演化路径可能比我们现在设想的更加复杂。

因此，需要建立更多独立的实验室，来进一步验证这一发现。如利用欧几里得空间望远镜、维拉·鲁宾天文台、罗曼空间望远镜等，来更精确地测量宇宙膨胀历史，检验 DESI 结果是否真实；还要进一步研究量子引力、标量场理论、第五种力等可能的新物理机制，寻找解释暗能量变化的新理论。

结论：DESI的研究数据虽然在研究宇宙暗能量问题上是一个重大突破，但还仅仅是一个开始，后面还有大量的研究工作要做，宇宙未来的走向依然是一个谜。科学永远是在路上，永远没有终点。但我们要相信的是，随着科学研究的日益深入，人类将获知越来越多的宇宙奥秘，不断接近真相。

有关宇宙的“生死”问题，对短暂的人类生命来说，实在是一个太“遥远”的问题。而且对于广袤的宇宙来说，地球连一粒尘埃也算不上，更别说寄生在地球上的人类了。因此有人可能会对探索宇宙归宿如此大的问题感到可笑，认为是吃饱了没事撑的。但人类虽然渺小，思维却无限，在有限的生命里了解一下遥远的未来，以拓展我们的眼界和胸怀，又何尝不是一件有意义的事情呢？欢迎讨论。

时空通讯原创文章，请尊重作者版权，感谢阅读。