摘要：但宇宙不一样。事实上，恒星、气体、生命，这些普通物质只占到宇宙组成中的5%。剩下的95%却是两种捉摸不透的存在：暗物质（27%）和暗能量（68%）。它们看不见、摸不着，却主宰着宇宙的命运。

某个晴朗的夜晚，当你抬头望向星空，想象自己所身处的浩瀚宇宙，你是否曾发出过这样的感叹：

宇宙是由什么组成的？

物理学告诉我们，从我们的身体，到天上的太阳，所有物质都是由原子、分子等微小的粒子组成的。

但宇宙不一样。事实上，恒星、气体、生命，这些普通物质只占到宇宙组成中的5%。剩下的95%却是两种捉摸不透的存在： 暗物质 （27%）和 暗能量 （68%）。它们看不见、摸不着，却主宰着宇宙的命运。

宇宙的组成

（图片来源：ESA/Planck）

暗能量是宇宙中占比最大的组成部分，也是宇宙中最神秘的存在之一。关于暗能量，中国科学院国家天文台的研究人员近期取得了重要科学突破：

4月9日，中国科学院国家天文台发布在暗能量研究领域取得的重要进展。由国家天文台研究员赵公博领衔的国际科研团队基于“暗能量光谱巡天（DESI）”项目的相关数据，证实暗能量并不是一成不变，而很可能存在动力学属性。该成果为探索宇宙加速膨胀背后的物理机制提供了全新视角与关键证据，同时意味着可能存在宇宙学标准模型以外的新物理。

（背景图片来源：DESI）

所以，什么是暗能量？为什么要研究暗能量是否一成不变？这项研究成果对暗能量的研究具有怎样的意义？让我们从百年前的一个“错误”说起……

膨胀的宇宙，爱因斯坦的“错误”

现在大多数科学家都认为，我们所在的宇宙起源于一次大爆炸，并且正在不断地膨胀。但是，如果把时间倒回到整整一百年前，恐怕没有哪个物理学家会相信这个说法，包括鼎鼎大名的爱因斯坦。

1915年，爱因斯坦提出了著名的广义相对论，并写下了改变宇宙学历史的引力场方程。 方程描述了引力的本质：物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。

然而，当他计算这个方程时，却得出了两个令人疑惑的解：宇宙要么在膨胀，要么在收缩。

当时主流的宇宙学观点是，宇宙是静态的，既不膨胀也不收缩。爱因斯坦为了解决方程解的难题，选择在方程中加上了一个常数，后来被称为 宇宙学常数 。

红色方框中为爱因斯坦最初添加的宇宙学常数项

可就在1929年，天文学家哈勃通过分析星系光谱学的数据，有了一个惊人的发现： 遥远的星系正在离我们远去，而且距离越远的星系，远离的速度也越快。

这一发现彻底推翻了静态宇宙的观点，迅速让宇宙膨胀成为共识。爱因斯坦甚至表示： “引入宇宙学常数是我一生中犯的最大的错误。”

但爱因斯坦没想到的是，他这个“最大的错误”，会在数十年后又被物理学界重新重视起来。

宇宙膨胀在加速

宇宙膨胀的现象催生了宇宙大爆炸理论。可以想象一下，宇宙在一次爆炸后，就像一个被吹大的气球，星系是气球表面的一个个小点，随着气球不断膨胀，这些小点之间的距离也越来越远。

膨胀的宇宙就像一个被吹大的气球

（图片来源：astronomy stack exchange）

然而，宇宙膨胀现象又在上世纪末迎来了一个惊人的发现。宇宙中有一类特殊的恒星爆炸—— Ia 型超新星 ，天文学家在测量时发现，相比宇宙以恒定速度膨胀的模型的预测，这类超新星要更加暗淡，这意味着它们的实际距离比预期要远。

唯一的合理解释是，宇宙的膨胀速度比过去变得更快了。也就是说， 宇宙的膨胀正在加速 。

Ia 型超新星G299爆炸后留下的遗迹

（图片来源：wikipedia）

当时，传统的引力理论和任何已知的普通物质都无法解释这个现象。物质之间存在相互吸引的引力：成熟的苹果落到地上、地球围绕太阳旋转，只要是有质量的物质，都存在相互吸引的作用力。如果宇宙中只有这些物质，那么在引力的作用下，物质之间被不断拉拢，宇宙的膨胀速度应该只会越来越慢才对。

正是为了解释宇宙的加速膨胀，天文学家引入了一个全新的概念—— 暗能量 。

在天文学家的假设中，暗能量具有一种极为特殊的性质： 负压 。在爱因斯坦的广义相对论中，压强会对引力产生影响。正的压强会增强引力，使得宇宙收缩；而足够大的负压则会产生排斥力，加快宇宙的膨胀。

想象宇宙是你手上的一根橡皮筋，正在被你用两根手指拉开。如果只存在普通物质，那么在引力作用下，你会感受到橡皮筋有收缩的趋势，必须手指用力才能将它越拉越长。可是如果宇宙中存在暗能量，那么无需费力，橡皮筋会自动拉长，对应于宇宙的加速膨胀。

宇宙的历史

暗能量的谜团

暗能量概念的提出能够解释宇宙加速膨胀的现象， 但暗能量的真面目究竟是什么，至今仍然是现代物理学中最大的未解之谜之一。

宇宙星系中隐藏着暗能量的秘密？

（图片来源：NASA）

为了更加精确描述物质的性质，物理学家往往需要使用数学的工具。比如说定量描述一个鸡蛋受到地球的吸引力，可以使用重力公式G=mg，还能由此算出鸡蛋从桌子落到地上所花的时间。

类似的道理，物理学家提出了一个数学方程来描述暗能量的性质：

这是 暗能量的状态方程 。公式中，p是压强，ρ是能量密度，ω是两者的比值， 描述了暗能量的密度和压强之间的关系 。因为暗能量具有负压的性质，所以ω是一个负数。

暗能量的一个谜团是：ω的数值具体是多少？这是一个固定值吗？它会随时间而改变吗？

当前的宇宙学有一个被广泛接受的理论框架，叫做 标准宇宙学模型 （ΛCDM）。在这个模型中，正如爱因斯坦曾经提出的“宇宙学常数”， 暗能量被认为是一种不随时间变化的真空能量，状态方程中的ω是一个恒定的数值：-1。 这意味着暗能量的密度是恒定的，不会随着宇宙的膨胀而变化。

在过去二十多年里，标准宇宙学模型成功地解释了大量的宇宙学观测数据，因此被广泛接受为当前最简洁且有效的理论框架。然而，随着观测技术的进步和数据精度的提高，天文学家逐渐发现，不同类型的观测数据之间出现了一些和模型不一致的地方。

其中一个问题就是，暗能量似乎不是恒定不变的。暗能量状态方程中的ω，可能并不是模型假设的-1。这给ΛCDM模型提出了新的挑战，也为我们探索暗能量的性质，甚至更深层次的物理理论，留下了巨大的空间。

DESI项目：揭示暗能量的秘密

为了更深入地研究暗能量，一项名为 暗能量光谱巡天 （DESI）的大型国际合作项目应运而生。DESI项目是当今全球最重要的暗能量观测计划之一，是由全球70余家科研机构的900余名科研人员共同参与的国际合作团队。DESI依托4米口径的光学望远镜，通过对数千万个天体的红移进行高精度测量，精细绘制宇宙大尺度结构的三维图谱，旨在深入揭示暗能量的物理属性。

（图片来源：Berkeley Lab）

暗能量几乎不与物质发生电磁相互作用，可以说是“看不见、摸不着”，研究暗能量需要借助一个重要的天文现象： 红移 。简单来说，由于宇宙在膨胀，遥远星系发出的光在到达地球的过程中会被拉伸，波长变长，颜色偏红，这就是红移现象。

天文学家借助红移测量遥远星系的距离

（图片来源：Night Magazine）

通过测量红移，科学家们可以计算出天体的距离和运动速度，从而构建出宇宙的三维图像。 暗能量的存在会影响宇宙的膨胀速率随时间的变化方式， 通过分析不同宇宙时期的星系分布、精确测量宇宙在不同时期的膨胀速率，科学家就能够从中分析暗能量的性质。

国家天文台赵公博研究员团队和邹虎研究员团队参与DESI项目已有十余年时间。赵公博团队牵头合作组利用自主开发分析方法开展暗能量性质的系统性研究；邹虎团队积极参与DESI项目的科学运行，为DESI数据释放贡献了重要的增值星表，推动了科学新发现的进展。

暗能量是“精灵”？

近期，赵公博团队领衔DESI国际合作组在暗能量动力学属性的研究中取得了重要的科学突破。他们利用团队自主开发的新方法，深入分析了DESI最新观测到的宇宙学距离数据，并结合超新星和宇宙微波背景辐射的观测结果， 发现暗能量的状态方程随着宇宙的演化而发生变化。

暗能量的状态方程随时间发生变化

（图片来源：参考文献）

此结果证实了此前DESI国际合作组使用不同分析方法得到的结论，即暗能量很可能存在动力学属性。此结论对传统的宇宙学常数模型构成挑战， 意味着暗能量可能并非恒定不变的真空能量，而具有更复杂的演化行为。

对于暗能量状态方程可能存在不恒定的现象，物理学家曾提出过多种理论解释，基于压强和能量密度之比ω的数值的预言，主要有三种理论模型：

Quintessence（“精质”）：ω＞-1

Phantom（“幽灵”）：ω＜-1

Quintom（“精灵”）：ω穿越-1，围绕-1振荡

（图片来源：中国科学院 国家天文台）

其中， “精灵”暗能量模型 由高能所理论室张新民研究团队于2004年提出。此次研究结果初步发现，ω的数值偏离-1，且围绕-1振荡，此行为与“精灵”暗能量模型的预言一致。这一发现对传统的宇宙学常数模型构成了挑战，为我们揭示暗能量的物理本质开辟了全新的研究方向。

超出宇宙学标准模型以外的新物理，似乎离我们已经不再遥远。

未来展望

这项研究不仅为构建更完善的宇宙学理论体系提供了关键线索，也为未来的重大天文观测项目，如DESI的全巡天、主焦点光谱巡天（PFS）、欧几里得（Euclid）和下一代宇宙微波背景（CMB）观测等，在数据分析方法和理论模型构建方面注入了新的科学动力。

赵公博研究员表示，他们将继续利用DESI后续的观测数据进行更精细的分析，并与国际同行合作，力求通过高精度的测量和更完善的理论模型，对暗能量的动力学属性进行更全面、更严格的检验。国家天文台也将继续深化与国际主要天文观测机构的合作，积极推动大数据和深度学习等新兴技术在天文研究中的应用，加快推进新一代观测平台和核心设备的建设，进一步提升我国在宇宙学基础研究领域的国际影响力。

暗能量的研究是人类探索宇宙奥秘的重要前沿领域，不 仅可能让人类更贴近宇宙的真相，也为探索更深层次的物理规律指明了方向。 相信在不久的将来，科学家们能够进一步揭开暗能量的神秘面纱，为我们展现一个更加清晰和完整的宇宙图景。

来源：东窗史谈一点号