摘要：宇宙遥远的未来充满了各种可能性，但如果暗能量真的像数据所显示的那样是一个常数，它将继续沿着红色曲线变化，最终导致“宇宙大爆炸”节目中经常描述的长期情景：宇宙最终走向热寂。然而，如果暗能量会随着时间推移而增强、减弱或改变符号，那么一切都将变得不可预测，诸如大坍缩
宇宙遥远的未来充满了各种可能性，但如果暗能量真的像数据所显示的那样是一个常数，它将继续沿着红色曲线变化，最终导致“宇宙大爆炸”节目中经常描述的长期情景：宇宙最终走向热寂。然而，如果暗能量会随着时间推移而增强、减弱或改变符号，那么一切都将变得不可预测，诸如大坍缩或大撕裂之类的其他可能性也会突然涌现。
早在20世纪20年代，第一批关键证据出现，揭示了我们所处现实的一个真相，而我们至今仍对此深信不疑：宇宙正在膨胀。这一简单的事实引发了一系列后续发现：炽热的大爆炸、宇宙微波背景辐射、宇宙大尺度结构在漫长宇宙时间中的演化等等。它也引出了一个深刻的生存问题：宇宙将如何终结？如果宇宙正在膨胀（事实的确如此），并且膨胀速度随着时间推移而减缓（证据也支持这一点），那么在遥远的未来会发生什么？宇宙的膨胀会永远持续下去吗？它会继续减缓，还是会再次加速？如果确实减缓，它会最终停止膨胀，然后又恢复到之前的膨胀状态吗？
最后一种设想，曾一度被许多人所青睐，它会导致一系列类似“逆向大爆炸”的现象，也就是所谓的大坍缩。随着暗能量的发现（以及暗能量与宇宙常数的一致性），许多人认为大坍缩与我们观测到的宇宙实际形态相矛盾。但最新的DESI数据显示，暗能量不仅在演化，而且目前可能正在减弱，这使得许多人重新将这种一度被摒弃的设想提上日程。这种做法是否合理？天文学家柯克·科里斯特（Kirk Korista）也想知道答案，他问道：
“在许多讨论宇宙常数（或暗能量）可能并非常数，尤其是 可能 正在经历近期减弱的通俗文章中，下一句话总是说，这可能意味着宇宙最终会走向‘大坍缩’。但为什么这总是被自动地视为未来情景呢？”
这是一个大问题：可以说是整个宇宙中最重大的问题之一。宇宙大坍缩或许不再完全不可能成为未来的潜在情景，但它距离成为最有可能的结果还很远。以下是科学目前对此的看法。
与牛顿认为任意两个物体之间的力沿视线方向瞬时作用的图景不同，爱因斯坦将引力设想为一种弯曲的时空结构，其中单个粒子根据广义相对论的预测在弯曲的空间中运动。在爱因斯坦的图景中，引力并非瞬时作用，而是必须以有限的速度传播：引力速度，即光速。与传统波不同，这些波的传播完全不需要任何介质。
图片来源：LIGO科学合作组织，T. Pyle，加州理工学院/麻省理工学院
其核心思想归根结底在于爱因斯坦广义相对论的基本见解。
首先，空间和时间本身交织在一起，形成一个单一的四维结构，称为时空。其次，时空的性质，包括其弯曲方式和演化方式，是由时空中所有形式的物质和能量的总量（和分布）决定的。第三，正是时空本身的曲率和演化决定了其中存在的物质和能量的运动和演化方式。这不是关于广义相对论如何运作的“循环论证”；而是一个非常有力的陈述，概括了大多数物理系统——特别是受微分方程支配的物理系统——的实际运作方式。
我们通常需要做的，是先确定物理系统在某一时刻的某种状态。我们需要知道存在哪些形式的物质和能量，它们的位置和分布情况，它们的密度是多少，以及它们在这一特定时刻的运动/变化情况。然后，基于这些信息，我们可以计算出下一时刻系统的状态，包括我们感兴趣的所有物理量在这一时刻的变化情况。接着，当下一个时刻到来时，同样的方程（只是代入了新的数值）就能告诉我们之后每个时刻会发生什么。我们可以一直重复这个过程，直到达到我们想要的程度。
这两个方程，即弗里德曼方程，描述了各向同性且均匀的宇宙如何演化：宇宙会膨胀或收缩（方程左侧），而膨胀或收缩又取决于能量密度随时间的变化（方程右侧的ρ），以及其他参数，例如曲率、压力和宇宙常数。如果你掌握了能量密度随时间变化的所有信息，你就可以精确地计算出宇宙将如何膨胀、收缩或其他演化。
图片来源：Cameron Bunney/Ville Hirvonen
这之所以成为可能，是因为我们明确地知道等式两边之间的关系。爱因斯坦场方程告诉我们这些关系在一般情况下是如何运作的，以及在一个以下宇宙背景下的运作方式：
各向同性（或平均而言，在所有方向上都相同），同质的（或者说，在所有空间位置上平均而言是相同的），并且不断扩张（其中任意两个明显分离的点之间的距离随时间以特定速率增加），我们有一组特例的场方程：弗里德曼方程。正是利用这些方程——同样，它们也是一组耦合的微分方程——我们才能根据今天对宇宙的观测结果，推断宇宙在未来将如何演化。
在很长一段时间里，可以说贯穿整个20世纪，如果你问宇宙学家（研究宇宙大尺度性质的人）他们领域的最大目标是什么，他们会告诉你，是测量和确定两件事。第一件事是“宇宙膨胀的速度有多快”，第二件事要么是宇宙膨胀速率在其历史进程中是如何变化的（即所谓的减速参数），要么是宇宙中各种能量形式的比例是多少。有了这些信息，我们就可以利用直接源自爱因斯坦理论的方程，推算出我们宇宙未来的整个演化历史。
这些数据点按年份排序，展示了使用宇宙距离阶梯法对宇宙膨胀速率的不同测量结果，数据点主要分为两组：一组集中在 50 km/s/Mpc 附近，另一组集中在 100 km/s/Mpc 附近。2001 年发布的哈勃关键项目的结果用红色柱状图表示。
图片来源：J. Huchra，2008年
从历史上看，这经历了许多阶段。20世纪下半叶爆发的“哈勃之争”中，人们争论宇宙目前的膨胀速度究竟是50-55公里/秒/百万秒差距，还是100公里/秒/百万秒差距。这场争论意义重大，因为如果宇宙完全由物质和辐射构成（当时普遍认为如此），那么以100公里/秒/百万秒差距的速度膨胀的宇宙必然非常年轻：大约只有100亿年的历史，比已知最古老的恒星还要年轻几十亿年。
另一方面，如果宇宙的膨胀速度仅为50-55公里/秒/百万秒差距，那么宇宙就不可能完全由物质和辐射构成，因为它的年龄会太老：大约200亿年，比已知最古老的恒星还要古老几十亿年。宇宙中必然存在某种形式的能量，而不仅仅是物质和辐射。这种能量不可能是暗物质、黑洞、中微子或标准模型中已知的任何其他粒子；它必须是某种外来物质。许多人提出“空间曲率”可以弥补这一差距，从而解释宇宙年龄仅为140亿至160亿年，但宇宙中大部分能量并非以物质或辐射的形式存在。
如果宇宙的物质密度稍高一些（图中红色区域），它就会是闭合的，并且早已坍缩；如果密度稍低一些（并呈现负曲率），它就会膨胀得更快，体积也会更大。大爆炸理论本身无法解释为什么宇宙诞生之初的初始膨胀速度与总能量密度如此完美地平衡，以至于完全没有空间曲率，最终呈现出一个完全平坦的宇宙。在密度过高的区域，膨胀速度可以被克服。
资料来源：Ned Wright 的宇宙学教程
谈到宇宙的命运，物质和辐射的实际密度与膨胀速率之间的关系——其中膨胀速率定义了一个“临界密度”（即，如果宇宙完全由物质构成，那么这个密度处于坍缩与无限膨胀的临界点）——至少从理论角度来看，将决定一切。大多数研究过这个问题的理论宇宙学家都指出，宇宙的命运主要有三种可能。它们的开端相同：在炽热的大爆炸之初，宇宙开始快速膨胀，其内部物质和辐射的密度开始下降。但随着膨胀的持续，会出现三种值得关注的情景。
宇宙的物质密度可能略高于临界密度，这意味着宇宙密度过高：物质/能量密度过大，超过了初始膨胀速率所能承受的范围。这将导致宇宙膨胀到最大尺寸后停止膨胀，然后坍缩，最终发生大坍缩。宇宙的物质密度可能略低于临界密度，这意味着宇宙密度偏低：物质/能量密度太小，不足以抵消初始膨胀速率。这将导致宇宙永无止境地持续膨胀，膨胀速率趋近于零，但永远不会达到零。或者，宇宙可能呈现出一种“金发姑娘”式的、恰到好处的状态，即物质密度和膨胀速度相互抵消，完美匹配。在这种情况下，宇宙将永远膨胀下去，但速度是尽可能慢的，而且永远不会坍缩。然后，在20世纪90年代末，来自Ia型超新星的关键数据出现了。哇，真是令人惊讶。
宇宙的预期命运（前三幅图）都对应于这样一个宇宙：物质和能量共同作用，对抗着宇宙最初的膨胀速度。在我们观测到的宇宙中，宇宙加速膨胀是由某种暗能量引起的，而这种暗能量至今仍无法解释。所有这些宇宙都遵循弗里德曼方程，该方程将宇宙的膨胀与其内部存在的各种物质和能量联系起来。
图片来源：E. Siegel/《超越银河系》
数据支持这三种情景中的哪一种？
一个也没有。
通过观测越来越远的天体，并测量这些遥远信号的距离和红移，我们不仅可以重建宇宙当前的膨胀速度（这个问题在2001年得到了解决，结果约为72公里/秒/百万秒差距，表明“哈勃之争”中的双方都错了），而且还可以看到：
扩张速度随时间而变化。以及宇宙中存在的不同形式的物质和能量是什么。宇宙并非仅仅由物质和辐射构成，即使包括暗物质、黑洞、中微子以及标准模型中所有物质的贡献。
然而，宇宙中还存在另一种成分，它的行为方式与其他所有成分截然不同：暗能量。其他所有形式的能量都会随着宇宙膨胀而密度降低——宇宙膨胀导致能量总量要么保持不变（对于物质而言），要么减少（对于辐射而言，由于波长拉长），从而降低了单位体积的能量，也就是能量密度——而对于暗能量而言，能量密度却保持不变：这与爱因斯坦在其广义相对论最初表述中提出的宇宙常数相同。即使宇宙膨胀，新的空间不断产生，暗能量的密度也从未降低。
随着宇宙体积的膨胀，物质和辐射的密度逐渐降低，而暗能量则是空间本身固有的一种能量形式。在膨胀的宇宙中，随着新空间的不断产生，暗能量的密度保持不变。
图片来源：E. Siegel/《超越银河系》
这彻底改变了一切。物质和辐射密度与临界密度的比较不再能决定宇宙的命运；暗能量触发了一种截然不同的局面。只要物质和辐射占主导地位，宇宙的膨胀速率就会随着膨胀而下降，因为整体能量密度会降低。但一旦暗能量占据主导地位，宇宙的膨胀速率就不会再下降，而是趋近于一个正的有限值。此前，当物质和辐射占主导地位时，你可以观测宇宙中的任何星系，并观察到它的视退行速度会随着时间推移而降低，即使它与你的距离不断增加。而当暗能量占据主导地位时，该星系远离你的速度反而会加快，这就是天文学家称之为宇宙加速膨胀的原因。
尽管大部分数据（包括来自宇宙微波背景辐射和Ia型超新星的数据）都完全支持一种长期保持恒定能量密度的暗能量形式，但近期关于宇宙大尺度结构的数据却表明并非如此。最新的暗能量光谱仪（DESI）数据（参见此处和此处）的最佳拟合结果支持一种暗能量形式，而非恒定能量密度：
它的初始能量略高于宇宙常数，近年来，它的强度有所减弱，能量略低于宇宙常数。而且现在看来还在进一步减弱。这是一个非常离奇的故事，而且具有深刻的意义。
来自2024 DESI合作项目主要出版物的原始数据已被按不同的红移进行分组，并与“标准”暗能量模型的预期结果进行对比。尤其是在中间红移（0.5到1.5之间）区域，这些数据不支持简单的、非演化的暗能量模型，反而表明暗能量可能随时间演化（并减弱）。
图片来源：DESI合作项目，arXiv:2404.03002，2024
至少如果我们确信这就是事实，那将会产生深远的影响。如果宇宙中不存在能量密度恒定不变的暗能量，而是存在不断演化的暗能量，那么确定宇宙命运的唯一方法就是预测并精确理解这种暗能量未来的演化方式。但是，由于我们用来描述宇宙膨胀的方程是基于我们理解能量密度如何随着宇宙体积增大而演化的假设，我们现在陷入了不确定性的漩涡之中。
如果旧理论不再可靠，那么我们能找到的最佳指导原则就是基于可观测、可测量的数值来构建我们对这种暗能量的最佳模型。但这恰恰是我们“仅”拥有的DESI数据存在的问题：它的质量不足以得出结论。诚然，我们讨论过，暗能量最初略高于宇宙常数，然后逐渐衰减，并且至今仍在衰减，这种现象可以通过多种方式进行推断。例如：
继续下降，但仍然是一种加速力（只要暗能量状态方程 w 保持在 -⁷³ 以下），持续下降，并从加速膨胀转变为膨胀减缓，最终导致类似于早期“金发姑娘”案例的常规“热寂”情景。继续下降，并开始表现出减速力的作用，如果暗能量状态方程变得很大且为正值，甚至可能导致宇宙大坍缩。停止衰退，并最终导致扩张持续加速，永无止境。或者停止下降并再次上升，变得比宇宙常数还要强大，从而导致大撕裂。所有这些情况，以及介于两者之间的所有情况，都仍在考虑之中。
这些图表展示了暗能量演化模型的拟合结果，其中参数 w_0 和 w_a 分别代表暗能量的宇宙常数恒定，对应的 w_a = 0 和 w_0 = -1。值得注意的是，DESI 数据本身与暗能量恒定的假设相符，但当将其与宇宙微波背景辐射 (CMB) 和超新星（例如，如中间面板所示的 DESY5）数据结合起来时，则更倾向于暗能量演化模型。
图片来源：DESI合作组/M. Abdul-Karim等人，《DESI DR2结果》，2025年
但问题在于我们的证据实际上有多么薄弱。在粒子物理学和天体物理学中，我们对一项新发现的认定标准非常高：统计显著性必须超过我们所说的5σ阈值。这意味着统计显著性必须达到误差范围仅为偏离零假设所需误差范围的五分之一（甚至更小）。在这种情况下，出现统计偶然性的概率只有大约三百万分之一。
那么，就我们所看到的信号强度而言，DESI 数据处于什么水平呢？这取决于你把它和其他什么数据结合起来。
如果什么都不加，这个信号就微不足道：勉强超过 2-σ 阈值，或者从天体物理学的角度来看，你可能会拿一个本科生的暑期科研项目来做赌注，但不会有什么更重要的事。如果将其与 CMB 数据结合起来，信号强度会略微提高：甚至超过 3σ 阈值，也就是你可能会考虑用研究生的博士论文（和职业生涯）来做赌注的程度。但是，如果将它与超新星数据结合起来，就必须记住，这里有三个不同的超新星数据集：分别来自 Pantheon、DESY 和 Union。其中一个数据集将显著性提高到 4σ，一个数据集将显著性保持在 3σ 左右，而最后一个数据集则将显著性降低到 2.5σ。换句话说，现有数据的质量远不足以得出“暗能量肯定在演化”的结论。认为我们现在可以断言暗能量是如何演化的，以及数据是否支持宇宙大坍缩还是永恒膨胀最终导致热寂的观点，不仅缺乏现有数据的支持，而且完全是荒谬的。
观察来自DESI（上排）或各个超新星合作项目（下排）的数据点，可以明显看出，目前的数据质量不足以可靠地区分宇宙中暗能量行为的各种可能性。DESY、Union和Pantheon+这三个不同的超新星样本给出的结果如此迥异，这应该引起我们的警惕，表明我们尚未揭开暗能量的全部奥秘。
图片来源：DESI合作组/M. Abdul-Karim等人，《DESI DR2结果》，2025年
然而，这种可能性值得考虑和探讨。心理学中有一句古老的格言——虽然不是物理学中的——那就是预测未来行为的最佳方法是参考过去的行为。在宇宙膨胀的背景下，宇宙过去的膨胀行为是我们唯一能够用来理解未来走向的有效数据。
但如今，在大爆炸138亿年后，我们只能看到宇宙演化曲线的一部分：从我们能够测量的最早时期到今天这段时间。除此之外，我们只能进行推断，这意味着我们有责任负责任地进行推断。一方面，我们希望使用现有最佳数据，并明确说明对这些数据的最佳拟合结果所揭示或暗示的宇宙未来演化方向。但另一方面，我们也希望坦诚地说明数据的不确定性和误差范围，并衡量我们表达结果的置信度。
如果我们那样做，我想留给你们以下几点思考。
目前尚未证实暗能量正在演化。如果我们能够确立第一点——而像 SPHEREx、Euclid、Roman 和 Rubin 这样的新天文台应该能够让我们证实或否定这一观点——那么最大的问题是暗能量是如何演变的，以及它今天似乎仍在演变。如果我们能够衡量这种演变，下一步就是推断这种演变在未来应该如何进行（包括误差和不确定性）。如果想知道我们的宇宙是否正走向大坍缩，首先必须证明暗能量正在演化，其次要证明它过去更强，现在却在减弱到甚至不如宇宙常数重要。之后，我们还需要分析数据，看看数据是否支持宇宙演化为大坍缩，而不是热寂（或其他状态）；目前，我们没有任何此类迹象。在构思的早期阶段，保持创造力固然重要，但同样重要的是要以数据为指导，而不是受个人希望或偏好左右。一旦我们开始依赖任何证据之外的东西，我们就停止了科学研究，而仅仅陷入了臆测。
信息来源：https://bigthink.com/starts-with-a-bang/evolving-dark-energy-big-crunch/
来源：人工智能学家