出品：科普中国

作者：王清扬（中国科学院大学理论物理学博士）

监制：中国科普博览

在上篇文章中我们说到，天文学家们测量了Ia型超新星的红移-距离关系，发现宇宙的膨胀并没有在引力的作用下逐渐减速，反而正在加速进行。遥远星系之间正在越来越快地相互远离。这意味着，受到引力牵制的星系物质并不是当前宇宙的主要组成部分。

天文学家们推测宇宙中还存在一种被称为“暗能量”的神秘组分，它正在悄无声息地占领并统治宇宙，推动着宇宙加速膨胀。究竟什么是暗能量？它又如何“统治”宇宙？这篇文章会告诉你答案。

再论状态方程

首先，让我们从状态方程的角度聊一聊暗能量是一种什么样的宇宙组分。这里我称暗能量是一种“组分”，而没有称其为一种“物质”，是因为目前我们并不确定暗能量究竟是一种实在的物质还是一种在物理效果上等效于物质的未知机制。不过，不论暗能量属于哪一种，它从物理效果上都可以被一个状态方程所描述。

在上一篇文章中，我们介绍过物质的状态方程 w 的概念。它是物质或组分的一种性质，描述的是一种物质或组分的能量密度在宇宙膨胀的过程中被稀释的能力。状态方程 w 越大，这种物质或组分在宇宙膨胀的过程中就更容易被稀释。

状态方程决定了某种物质的能量密度如何随宇宙尺度变化，能量密度 ρ 反比于宇宙尺度 a 的 3+3w 次方。

物质能量密度、宇宙膨胀加速度与状态方程之间的数学关系

（图片来源：作者自绘）

举个例子，我们熟悉的星系物质的状态方程是 w=0 ，它们的密度就反比于宇宙尺度的三次方。宇宙尺度扩大为原先的2倍，星系物质的密度就会稀释为原先的1/8。

宇宙中有许多种物质组分，它们各自的状态方程都不一样。尽管如此，在平均意义上，它们还是可以按照各自在宇宙中的占比来混合出一个整体的状态方程。哪种组分在宇宙中占比最多，它对整体状态方程的贡献就越大。

宇宙的整体状态方程决定了宇宙膨胀加速度的正负，或者说决定了宇宙的膨胀是加速还是减速。可以证明，如果整体状态方程 w>-1/3 ，宇宙就会减速膨胀。而如果 w<-1/3 ，宇宙就会加速膨胀。因此，可以通过测量宇宙膨胀的加速度来推断宇宙中物质组分的整体状态方程，从而判断当前宇宙中什么样的物质组分占主导地位。

从宇宙加速膨胀到暗能量

那么宇宙加速膨胀意味着什么呢？首先，这说明当前正在主导宇宙的一定不是状态方程 w=0 的星系物质，因为只要 w>-1/3 宇宙就会减速膨胀。要使宇宙加速膨胀，宇宙的整体状态方程就必须满足 w<-1/3 。也就是说，宇宙加速膨胀表明当前的宇宙是被某种 w<-1/3 的组分所主导的。当然， -1/3 只是一个理论上限，从实际观测结果推断这种组分的状态方程应该是在 w≈-1 左右。

这种组分人类之前从未发现过。它们看不见摸不着，却主导着整个宇宙的演化。最终，科学家们仿照“暗物质”一词，将这种新发现的神秘组分命名为——暗能量。要注意，暗能量和暗物质是完全不同的概念。暗物质是构成星系物质的一部分，它的状态方程是 w=0 ，性质非常类似于宇宙中的尘埃，而暗能量则完全不同。

当前宇宙的物质组分。可见物质和暗物质构成了星系物质，它们的总量远少于暗能量。

（图片来源：作者自绘）

暗能量的一个最突出的特征就是它的总能量会随宇宙膨胀增多。因为能量密度 ρ和状态方程 w 、宇宙尺度 a 的关系是 ρ∝1/aⁿ (n=3+3w) ，所以暗能量的状态方程w≈-1意味着暗能量的密度几乎不随宇宙膨胀稀释。也就是说，假如在宇宙中划定一块空间区域，随着宇宙膨胀，这块空间的体积会按照 V∝a³ 增大，而暗能量密度却几乎不变，不会像星系物质那样被稀释。

因此，这块空间区域内暗能量的总量 E=ρV∝a³ 。这意味着，随着宇宙尺度a膨胀增大，暗能量的总量E就会越来越多。这显然违反了能量守恒定律！

不过，能量守恒的违反在宇宙学中也不是什么新鲜事。根据诺特定理，满足时间平移对称性的物理系统才能定义出守恒的能量。一个随时间膨胀的宇宙不具有时间平移对称性，因此也就很难定义出守恒的能量。

其他物质的密度都会随宇宙膨胀稀释，而暗能量的密度却几乎保持不变，这使得暗能量在整个宇宙当中的占比越来越高。在宇宙刚刚诞生的时候，暗能量在宇宙所有组分中的占比极少。但随着宇宙一步步膨胀演化，暗能量逐渐占领了宇宙。在距今大约40亿年前，暗能量成为了宇宙中占比最多的组分，并已经开始推动宇宙加速膨胀。时至今日，暗能量在宇宙中的占比来到了70%左右，未来这一数字可能还会进一步扩大。

宇宙尺度的变化历程

（图片来源：中国国家天文）

暗能量的本质是什么？

了解暗能量的由来之后，相信不少读者都会好奇一个问题：暗能量的本质究竟是什么？首先，从效果上看，暗能量是一种能够抵抗引力的神秘力量。其实，早在一百年前爱因斯坦就提出过一种抵抗引力的假设，被称为“宇宙学常数”假设。它的数学表述是额外添加在广义相对论引力场方程中的一个常数项，因此而得名。

广义相对论是宇宙学从古典步入现代的一个里程碑。1915年，爱因斯坦提出了这个划时代的物理理论，将时空、物质、引力以一种前人从未想象过的方式关联在了一起。从此，人类对引力现象拥有了更加深刻的理解。

在建立广义相对论之后，爱因斯坦很快将理论中的引力场方程用于研究宇宙。在那个年代，宇宙膨胀现象还没有被发现（要到1929年才被哈勃发现）。爱因斯坦固执地认为宇宙应当是静态的，宇宙空间从始至终都不应发生变化。然而，在仔细分析过引力场方程之后，爱因斯坦发现，宇宙在引力的作用下无论如何都无法保持静态。星体之间相互吸引总会使宇宙空间收缩，或者减速膨胀。这与他对宇宙的构想相悖。但他并不认为这是自己的构想不对，而是归因于广义相对论的引力场方程不完善。

要实现静态宇宙模型，就要引入一种抵抗引力的效果。爱因斯坦发现这在数学上并不复杂，只要在引力场方程中添加一个常数项就可以实现。这就是我们刚刚说的宇宙学常数。通过精细调整它的数值，就可以抵消掉引力对宇宙的收缩作用，从而使宇宙勉强维持静态。

从状态方程的角度看，宇宙学常数相当于一种状态方程 w 严格等于-1的暗能量。根据前面所说， w=-1 意味着这种组分的能量密度完全不随宇宙尺度变化，保持为常数。这便是宇宙学“常数”的另外一层含义。

广义相对论的引力场方程

（图片来源：作者自绘）

爱因斯坦的静态宇宙观维持了很长一段时间，他将宇宙学常数视为宇宙必不可少的一部分。但是，作为一门科学理论，任何一种学说都必须要经受实验观测的检验。1929年，哈勃发现了宇宙膨胀现象，宣告了静态宇宙模型的“死刑”。不久，爱因斯坦终于改变了他的观点。他宣布不再追求静态的宇宙模型。宇宙学常数作为静态宇宙模型的核心组件也被他一并废除，扔进了历史的废弃堆。他甚至表示，提出宇宙学常数就是他一生中最大的错误！

然而，宇宙学常数真的是一个错误吗？三十年河东，三十年河西，随着上世纪末宇宙加速膨胀现象被发现，宇宙学常数迎来了柳暗花明。为了解释星系之间的加速远离，天文学家们在第一时间就想到了这个爱因斯坦提出的能够抵抗引力的神秘常数。

你也许会疑惑，宇宙学常数不是用于促成静态宇宙模型的吗？它怎么还能解释宇宙加速膨胀呢？实际上，在静态宇宙模型中，宇宙学常数是经过了精细调节才与引力的作用精确抵消的。只要将宇宙学常数设置得稍微大一点，这种精细平衡就会被打破，宇宙就会在宇宙学常数的推动下加速膨胀。

至此，宇宙学常数再次登上了宇宙学的中心舞台。甚至这一次，它被写进了宇宙学标准模型当中！

可以解释宇宙年龄的宇宙学标准模型

宇宙学标准模型又称ΛCDM模型，它是为了解释宇宙学的各种实验观测结果而假设的一个有关宇宙演化过程和宇宙物质组分的物理模型。其中，Λ就是指宇宙学常数，CDM是Cold Dark Matter，指非相对论性运动的冷暗物质。这个模型假设暗能量是宇宙学常数，并把宇宙中的物质组分分为重子物质、辐射、冷暗物质、宇宙学常数4个部分。模型中只包含了简简单单的6个物理参数，却能够解释绝大部分天文观测结果，描述宇宙的演化过程。

ΛCDM模型能够解释的一个重要问题是宇宙的年龄。人类目前观测到的最古老的星团被估计形成于约130亿年前，这说明宇宙的年龄至少要大于这个数字。然而，基于宇宙学理论的计算结果表明，如果宇宙中只有星系物质（重子物质、冷暗物质）和辐射，那么宇宙年龄的计算值就只有大约90亿年，少于观测到的古老星团的年龄。这个疑难可以被ΛCDM模型解决。将宇宙学常数加入宇宙模型之后，宇宙年龄的计算值被修正到138亿年。因此，理论与观测结果之间的冲突被化解。

ΛCDM模型还能够解释宇宙微波背景辐射（CMB）各向异性谱。各向异性谱是CMB在各个角分辨率下涨落的幅度，这是一个可以测量的函数曲线。在理论上，采用ΛCDM模型，并将其中重子物质、冷暗物质、宇宙学常数的比例调整为5%、26%、69%，就可以完美地拟合出符合实验观测的函数曲线。这证明了ΛCDM模型的有效性，也从另一方面佐证了暗能量存在的必要性。

宇宙微波背景辐射（CMB）的各向异性谱，它反映了各个角分辨率上CMB的涨落幅度。横轴 l 被定义为180°除以角分辨率，纵轴数字越大表示这个角分辨率下的涨落幅度越强。

（图片来源：NASA）

以上的成果似乎表明我们已经为暗能量找到了一个完美的解释——宇宙学常数。然而，它真的是完美的吗？

暗能量光谱仪DESI和暗能量的演化

2021年，美国基特峰国家天文台，一个新的暗能量观测装置——暗能量光谱仪（DESI）开始了它为期五年的实验运行。DESI的科学目标是通过观测宇宙中海量的星系来测量一种叫做“重子声振荡”的天文现象。这种现象可以帮助天文学家们精确地测量星系与我们之间的距离，从而得到更加准确的红移-距离关系，以还原宇宙的演化过程，探索暗能量如何影响宇宙的演化。

基特峰国家天文台

（图片来源：DESI）

DESI要解答的一个重要问题是：暗能量的状态方程 w 究竟是什么样子？它就是那个保持 w=-1 不变的宇宙学常数？还是会有更加复杂的演化行为？如果它在宇宙膨胀历史中发生过变化，那么它和宇宙尺度之间的函数关系是什么？这个问题非常重要，因为暗能量的状态方程有助于我们分析暗能量密度的演化规律，从而使我们更加接近暗能量的本质，甚至能够帮助我们判断宇宙未来的图景。

DESI于2024年发布了它运行第一年所得的数据，并在今年（2025年）发布了它运行前三年所得的数据。将这些数据与其他实验组的数据进行联合分析后，天文学家们发现：暗能量的状态方程在4σ的置信度上偏离宇宙学常数！4σ的置信度是一个非常强烈的统计学信号，这说明暗能量极有可能正在发生变化。

下面这张图展示了DESI观测数据的分析结果。横轴 z 表示宇宙学红移，它常用来标记宇宙过去的尺度，也同样可以用来标记宇宙过去的时间。 z 越大代表着过去越久远的时间，比如 z=0 对应于现在时刻， z=1 对应于大约79亿年前， z=3 对应于大约116亿年前。纵轴 wz 是暗能量的状态方程，它被表达为红移 z 的函数。这个函数表示暗能量状态方程随时间的演化趋势。

暗能量状态方程的演化函数wz 。蓝色曲线以及曲线两侧的蓝色区域是根据观测数据重构出的 wz 函数以及它的不确定度范围，黑色虚线是宇宙学常数模型预言的 wz 函数，橙色曲线是一种最简单的动力学暗能量模型拟合出的 wz 函数。

（图片来源：DESI合作组）

图中的黑色虚线标记着状态方程恒为 w=-1 的情况，这是宇宙学常数模型对暗能量状态方程的预言。而图中的蓝色曲线以及曲线两侧的蓝色区域是根据实际观测数据重构出的暗能量状态方程 wz 函数以及它的不确定度范围。我们可以看到，蓝色曲线的趋势显著偏离宇宙学常数的黑色虚线，这说明暗能量的状态方程大概率不是一个常数，而是一个随时间演化的变量。

随时间演化的暗能量模型被称为动力学暗能量。上图中的橙色曲线就是一种最简单的动力学暗能量模型拟合出的 wz 理论曲线，可以看到它与蓝色的观测结果在当前精度下是比较符合的。未来随着观测精度进一步提高，我们可能会发现暗能量更复杂的演化行为，从而在数学上要求更复杂的动力学暗能量模型来描述。

那么，暗能量的本质究竟是什么？

不论是宇宙学常数还是所谓的动力学暗能量，它们其实都只是在状态方程的层面去描述暗能量，并没有直接回答暗能量的物理本质究竟是什么。要回答这个问题，必须从更基本的理论出发来构建暗能量的物理模型，或者说，建立一些有关暗能量的猜想。

目前最主流的猜想有两类。第一类认为暗能量来源于一些具有相互作用的物质场，场的相互作用势能充当了暗能量的角色。比如精质（quintessence）模型、幽灵（phantom）模型、精灵（quintom）模型等。每一种模型都预言了暗能量状态方程w不同的演化方式。

物质场之间复杂的相互作用

（图片来源：ScienceClic）

值得一提的是，精灵模型是中国科学院高能物理研究所的张新民团队首次提出的。这个模型预言暗能量的状态方程w会在宇宙演化的过程中穿越 w=-1 的分界线。而从前面图中DESI发布的观测结果可以看到，暗能量的状态方程的确有穿越 w=-1 的迹象。这可以说是对精灵暗能量理论的一个重要支持。

另一类猜想认为暗能量可能来源于某种非同寻常的引力机制。这种引力机制在一定条件下可以表现出类似于“排斥”的效果，从而使宇宙的膨胀越来越快。理论上，要实现这样的引力机制就要修改爱因斯坦的广义相对论，因此物理学家们把能够实现这种机制的理论称为修改引力理论。比较著名的理论包括 fR 理论、标量-张量理论、高维引力理论等。这些特殊的引力机制在宇宙大尺度上的作用效果上也可以等效于一种物质组分，从而被一个等效的状态方程w描述。

暗能量和宇宙的命运

各种暗能量物理模型对宇宙未来的演化有着各自不同的预言。

有些模型预言未来暗能量的状态方程会慢慢回到 w>-1/3 ，从而使宇宙从加速膨胀状态再次回到减速膨胀状态。还有一些模型则更加激进。比如某些幽灵暗能量模型预言未来暗能量的状态方程会持续降低，从而使宇宙的加速膨胀失控。强大的斥力会撕裂银河系、太阳系、地球，最终甚至会撕裂构成我们的每个原子，使宇宙在所谓的“大撕裂”中终结。不过，这种模型对暗能量状态方程走势的预言与DESI最新的观测结果并不是很符合，大家不必过分担心。

最近，香港科技大学的戴自海团队还提出了一种新的暗能量模型。这种模型包含了一个负的宇宙学常数，它会导致宇宙未来由膨胀转为收缩，并使宇宙在大约200亿年后终结于所谓的“大坍缩”。不过这种模型也只能说是有趣的猜想，目前并没有可靠的观测证据来为它的预言背书。

不同暗能量模型对宇宙未来图景的预言

（图片来源：作者自绘）

当然，以人类现在对暗能量的了解，也许谈论宇宙的命运还为时尚早。但可以断言，宇宙的未来走向一定和暗能量的性质息息相关。在不久的将来，还会有多个与暗能量有关的大型天文项目投入运行，相信它们能更精确地描绘暗能量的性质，届时带给我们更大的惊喜。

来源: 中国科普博览

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