摘要：这张动画是DESI绘制的宇宙大尺度结构3D地图，也是迄今为止最大的此类地图。其制作目的是研究暗能量及其可能的演化。然而，尽管他们发现了暗能量演化的证据，但这很可能是因为他们假设暗能量的演化导致了数据与我们标准宇宙学模型的差异。事实并非如此。
这张动画是DESI绘制的宇宙大尺度结构3D地图，也是迄今为止最大的此类地图。其制作目的是研究暗能量及其可能的演化。然而，尽管他们发现了暗能量演化的证据，但这很可能是因为他们假设暗能量的演化导致了数据与我们标准宇宙学模型的差异。事实并非如此。
自从广义相对论首次提出以来，宇宙膨胀的故事在过去的110年里一直反复出现。最初，爱因斯坦引入了宇宙常数的概念——一种存在于空间结构本身的能量形式——以防止充满物质的宇宙坍缩。当我们发现宇宙正在膨胀时，这个常数就消失了，最终导致爱因斯坦宣称这是他最大的错误。后来在20世纪90年代，一组令人惊讶的数据表明宇宙的膨胀正在加速，这一发现使宇宙常数重新被提及。超新星、宇宙微波背景辐射和大尺度结构数据的结合似乎都要求它的存在。
但如今，25年多过去了，一组有趣的证据浮现出来，暗示（但并未证实）我们所观察到的暗能量可能并非恒定不变，而是会随着时间而变化。然而，包括我在内的其他人仍然倾向于“宇宙常数”的解释，并对暗能量演化的观点持怀疑态度。为什么这么多人看待同样的证据却得出不同的结论？这正是罗伯特·斯米切克拉斯想要探究的，他问道：
最近有很多新闻和研究论文声称暗能量是动态的，而且正在减弱。其中许多论文声称，我们现在有3、4或5西格玛的证明，证明它是动态的，而不是一个常数。有些甚至声称，我们很快就会有7西格玛的证明，证明它是动态的。还有一些科学家，比如乔治·埃夫斯塔蒂奥，声称DESI数据存在错误，而且没有强有力的证据证明动态暗能量大于[宇宙常数]。暗能量是动态的，这是目前最可能的情况吗？
这是一个大问题：宇宙中主要能量形式的本质。让我们回顾一下已知的知识，并帮助理解为什么对于我们目前的处境存在多种可行的观点和解释，却没有明确的共识。
三种不同类型的测量——遥远恒星和星系（来自超新星）、宇宙的大尺度结构（来自BAO）以及CMB的波动——揭示了宇宙的膨胀历史及其组成。总物质含量（正常+暗物质，x轴）和暗能量密度（y轴）的约束来自三个独立的来源：超新星、CMB（宇宙微波背景辐射）和BAO（大尺度结构相关性中可见的波动特征）。
上图展现的是我们在20世纪90年代首次发现，并在21世纪初得到巩固的宇宙故事：三条独立的证据都支持同一种宇宙图景。我们通常称之为“协调宇宙模型”，或ΛCDM（Lambda，代表暗能量作为宇宙常数，加上CDM，即冷暗物质），该模型约70%为宇宙常数，25%为暗物质，5%为普通物质（基于原子）。这三个证据是宇宙学中最重要的证据，因为它们包括：
CMB，即宇宙微波背景辐射，是宇宙大爆炸后留下的余辉，其波动幅度仅为三万分之一，它详细描述了未来宇宙大尺度结构形成的细节。测量Ia型超新星的距离和红移，Ia型超新星是“标准烛光”，其物理性质和固有亮度是已知的，因此测量它们可以让我们了解自我们观测到它们以来宇宙是如何膨胀的，以及宇宙的大尺度结构，它特别测量了在距离另一个星系特定距离处找到一个星系的可能性，通过测量该结构中称为“重子声学振荡”的特定特征，揭示了我们的宇宙膨胀历史。长期以来，这三条证据似乎都汇聚于我们宇宙的一组参数：我们的一致性，ΛCDM 宇宙学。
有许多可能的方法可以拟合数据，告诉我们宇宙是由什么构成的，以及它膨胀的速度有多快，但这些组合都有一个共同点：它们都导致宇宙的年龄相同，因为膨胀速度较快的宇宙必须具有更多的暗能量和更少的物质，而膨胀速度较慢的宇宙需要更少的暗能量和更多的物质。
但从2010年代开始，这幅图景开始出现裂痕。这是因为随着数据的改进以及我们对数据中误差和不确定性理解的加深，这三组数据的测量变得越来越精确。
对于宇宙微波背景辐射（CMB），我们有普朗克卫星，它测量了CMB中这些微小到极小角度尺度的波动，并帮助我们更好地理解可能污染或影响这些观测结果的宇宙前景（如星系尘埃）。最终，它汇聚成一幅图像：我们的宇宙以67公里/秒/百万秒差距的速度膨胀，其中约32%的宇宙能量密度为物质（包括暗物质和正常物质），其余68%为暗能量，这与宇宙学常数相符。对于Ia型超新星，我们独立测量了宇宙的膨胀速度，结果为73公里/秒/百万秒差距。随着超新星数量的增加，我们对这些爆炸以及宇宙距离阶梯其他校准方面相关的误差和不确定性的理解也得到了进一步的提升，使得该测量的不确定性降至仅为约1-2%。这支持了宇宙暗物质略多、暗能量略少的观点，这与宇宙微波背景辐射（CMB）的预测结果相比：物质约占34%，暗能量约占66%。对于大规模结构数据，我们正在进行广域巡天，绘制星系图，并使用来自 暗能量光谱仪（ DESI）的数据。DESI 提供了目前对重子声学振荡特征演化的最佳测量数据。它本身对宇宙的膨胀速度几乎没有说明，但确实指向了一幅宇宙图景，其中物质约占29%，暗能量约占71%。换句话说，随着我们越来越精确地确定这些测量值，我们发现它们并不都指向同一个精确的图像，相反，出现了一系列的紧张关系。
该图比较了哈勃太空望远镜造父变星和锚点以及詹姆斯·韦伯太空望远镜造父变星（或其他类型恒星）和锚点的其他子样本得出的H0值（即今天的膨胀率）。图中还显示了与普朗克方法（使用早期遗迹法而非距离阶梯法）的比较。显然，距离阶梯法和早期遗迹法无法得出相互兼容的结果。
最大的问题在于我们如何解读这些矛盾。有些人选择关注我们称之为“哈勃矛盾”的问题：宇宙微波背景辐射和超新星数据似乎表明宇宙的膨胀速率不同。当然，67公里/秒/百万秒差距和73公里/秒/百万秒差距看起来可能并没有什么特别的差别，但那是因为我没有向你们展示这些数据中的误差。对于宇宙微波背景辐射，该数据的不确定性小于±1公里/秒/百万秒差距；而对于超新星数据，经过长时间的误差修正，每个贡献的不确定性也已被降低到只有±1公里/秒/百万秒差距左右。
现在，从根本上说，这两种方法测量的并非同一种东西。CMB 接收的信号产生于宇宙早期，在宇宙大爆炸仅 38 万年后就印刻在宇宙表面，代表着我们观测到的光在宇宙中传播了大约 138 亿年后，在进入我们的仪器之前，由于宇宙膨胀而被拉伸和红移。它是大爆炸遗留下来的早期遗迹，如今我们观测到它。
另一方面，为了测量超新星数据，我们必须从现在开始，从晚期开始，并向外看：回溯到宇宙历史的早期。这是一个距离阶梯法的例子，它从现在开始，然后回顾过去。虽然宇宙微波背景辐射和超新星数据并不相互兼容，但最遥远的超新星与宇宙微波背景辐射表面之间在距离和时间上的巨大差距意味着膨胀率可能已经发生了变化，或者宇宙的内容可能在那段时间内发生了变化。
这是 H0 距离阶梯测量结果与 Pantheon+SH0ES 数据的对比，显示了所有距离阶梯测量中最小的误差。图中距离阶梯的第三级使用多种技术重新绘制，而不仅仅是 Ia 型光学超新星。图例显示了绘制此图所使用的不同技术。为了进行比较，左侧灰色条显示了 CMB 得出的值：与所有距离阶梯测量值截然不同。
甚至有些研究宇宙距离阶梯的学者，不相信Ia型超新星研究者给出的微小误差，反而断言哈勃参数并非约为73公里/秒/百万秒差距，而可能更接近70，甚至接近60%左右。这将缓解这种矛盾，并最终得出一个与宇宙微波背景数据完全一致的宇宙。许多人对这种解释提出异议（就我而言，我也有同感），但如何才能化解这种矛盾仍不清楚。
也许宇宙的能量含量随着时间的推移而演变。也许暗能量正在随着时间的推移而发生变化或衰减。也许宇宙中的暗物质正在发生一些奇怪的事情。或者也许我们的观察中存在未发现的错误或不确定性，我们未能将其考虑在内。目前，我们还不知道这个难题的解决方案是什么，但哈勃的紧张局势不会很快消失。
然而，现在我们来到了难题的第三部分：引入大尺度结构数据，特别是 DESI 数据。迄今为止，DESI 是对宇宙大尺度结构进行的最大、最深入、最灵敏的勘测，它全面地绘制了覆盖广阔天空的星系图，范围从暗星等到更远的距离，比之前的任何勘测都更广。
这部分 DESI 数据绘制了从地球（中间）到数十亿光年外的天体。这些天体包括附近的明亮星系（黄色）、明亮的红色星系（橙色）、发射线星系（蓝色）和类星体（绿色）。插图中清晰可见宇宙的大尺度结构，它显示了最密集的巡天区域，其体积不到 DESI 巡天总体积的 0.1%。
图片来源：Claire Lamman/DESI 合作
如果我们尝试单独研究 DESI 数据，并提出诸如“它能告诉我们关于膨胀率的什么信息？”或“它能告诉我们关于物质和暗能量密度的相对量什么信息？”之类的问题，那么即使是拥有这个有史以来最好的数据集，也无法以任何可信度告诉我们太多信息。如果研究大规模结构数据，则有两种方法：
你可以从附近开始，使用某种“锚点”，然后从那里向外工作，类似于距离阶梯法，或者你可以从早期（比如 CMB 时期）存在的种子波动频谱开始，然后从那里向我们前进，类似于早期遗迹方法。如果采用第一种方法，你会得到与（超新星）距离阶梯法一致的结果；如果采用第二种方法，你会得到与（宇宙微波背景辐射）早期遗迹法一致的结果。至于膨胀率，它本身并不能告诉我们太多信息。
然后，你可以继续探讨物质密度与暗能量密度的关系。如下图所示，DESI 数据表明，宇宙中只有约 29% 由物质构成，而暗能量占 71%。CMB 数据表明，宇宙中 32% 的物质（以及 68% 的暗能量），而超新星数据（取决于你使用的数据集）得出的数值则在 34% 到 37% 之间（暗能量占 63% 到 66%）。这些数值彼此之间相差不大，但它们也没有汇聚成一个单一、统一的图像。
这张图来自 DESI 合作第二次数据发布的结果论文，展示了六种不同数据集所偏好的物质密度值：DESI 的第一次和第二次数据、宇宙微波背景辐射 (CMB)，以及 Pantheon+、Union 和 DESY5 的超新星样本。需要注意的是，BAO 数据集和超新星数据集实际上并不兼容，而且三种不同的超新星数据集（Pantheon+、Union 和 DESY）给出的结果也大相径庭。
所以现在我们来探讨一个大问题：鉴于所有三条证据——来自宇宙微波背景辐射、超新星（或其他距离阶梯法）以及大尺度结构（例如重子声学振荡特征的演化）——我们如何才能构建一幅连贯、统一的宇宙图景？或者，正如一些人大胆提出的那样，我们能否由此构建出一幅连贯、不矛盾的宇宙图景，还是必须做出一些让步？
可以采取几种不同的方法。最保守的方法（我认为它过于保守）是假设这些数据集中的一个或多个仍存在未识别的错误或偏差来源，并且将存在以下参数组合：
物质密度，暗能量密度，以及扩张率，这一切都将很好地适应各种数据集，并且暗能量将保持为宇宙常数。
一种不那么保守的做法是宣称某些可疑的事情正在发生，但我们必须非常谨慎地根据现有数据确定其原因。宇宙的许多不同方面可能正在发生变化或演变，包括：
我们需要获取更优质的数据来区分这些不同的可能性。
这些图表显示了暗能量演化的拟合情况，就参数 w_0 和 w_a 而言，其中暗能量的恒定宇宙常数恰好对应于 w_a = 0 和 w_0 = -1。需要注意的是，DESI 数据本身与恒定暗能量相符，但当你将 CMB 和超新星（例如中间面板所示的 DESY5）数据与其结合起来时，它反而倾向于暗能量演化。
图片来源：DESI Collaboration/M. Abdul-Karim 等人，DESI DR2 结果，2025 年
我个人比较喜欢这种方法，并且很乐意解释原因。当人们说“暗能量正在演化，我有3西格玛、4西格玛、5西格玛等等的证据”时，你必须把这些指向互不相容的宇宙图景的不同数据集结合起来。例如，正如我几个月前指出的那样：
如果单独查看 DESI 数据，它只会在低于 2-sigma 的显著性水平上支持暗能量的演化，而不是标准 ΛCDM 模型。当您将 DESI 数据与普朗克 CMB 数据结合起来看时，您会发现，暗能量的演化比 ΛCDM 的演化有 3.1-sigma 的偏好。然后，如果将 DESI 数据与普朗克 CMB 数据以及超新星数据结合起来，那么相对于 ΛCDM，暗能量演化的偏好程度要么增加（对于 Union 数据高达 3.8-sigma，对于 DESY5 数据高达 4.2-sigma），要么减少（对于 Pantheon+ 数据降至 2.8-sigma），具体取决于将其与哪个超新星数据集相结合。对我来说，基于我们现有的数据就断定唯一正在演化的东西就是暗能量，这根本说不通。为了说服自己这是真的，我需要找到任何一条足以支持暗能量演化的证据，使其无需结合任何其他数据集就能令人信服。虽然DESI拥有最优质的大规模结构数据，但目前至少还有四个其他任务将在未来几年收集更优质的数据：
欧洲航天局的欧几里得卫星已经投入飞行并开始收集数据，美国宇航局的 SPHEREx 任务于今年早些时候发射，目前也正在获取数据，美国国家科学基金会的维拉·C·鲁宾天文台几个月前刚刚开始科学运行，以及美国宇航局的南希罗曼太空望远镜，该望远镜已建造完毕，等待明年按计划发射。在暴胀之后，宇宙中留下了一些特征，这些特征无疑源于暴胀。虽然宇宙微波背景辐射提供了这些特征的早期“快照”，但这只是历史上的一个瞬间。通过探索宇宙时间中我们所能获取的大量时间/距离信息，例如大尺度结构，我们可以获得任何单一快照都无法提供的信息。
我认为，当这些任务的数据返回时，我们将能够看到DESI提出的暗能量演化的初步证据是否真的站得住脚，或者是否存在向均值回归的现象。请记住：DESI关于暗能量演化的证据仅表明其演化程度轻微，并且仅在近期发生，这有利于宇宙历史最初80亿至90亿年中存在一个宇宙常数，并表明暗能量的强度在最近50亿年左右减弱了约15%至20%。低于2-sigma的证据在物理学和天文学中被称为“无证据”，因此，获得这些即将获得的优质数据将真正阐明我们所观察到的现象。
尽管如此，许多人在宇宙学界引起了轩然大波，他们坚持最不保守的观点：暗能量正在演化，只有像我这样的老顽固才会要求更好的证据，或者坚持要求我们研究宇宙中可能与我们的假设不同的其他方面。只有当你要求：
没有其他奇异的、变化的物质或能量形式，我们并不生活在宇宙中一个统计上不寻常的区域，并坚持认为哈勃张力只能通过允许暗能量演化来解决，暗能量演化的证据将变得更加有力。换句话说，如果我们唯一的检验标准是“演化暗能量模型”与“标准ΛCDM模型”的对比，当我们将所有不同的证据结合起来时，我们就能得出暗能量正在演化的结论，并且具有很高的显著性。我认为下面这张由大尺度结构专家克莱尔·拉曼博士绘制的图表很好地说明了这种可能性。
这张有趣的图表展示了超新星数据（右）、重子声学振荡（左）和宇宙微波背景辐射（上）的结合对爱因斯坦宇宙常数Λ（即宇宙学常数）的影响。当这三组数据结合在一起时，宇宙学常数的概念就难以维系；有可能出现某种变化，但不一定一定是Λ。
然而，一旦我们坚持认为暗能量的演化是解决所有宇宙问题的答案，我们就必须审视其余的导出参数，并扪心自问，我们是否仍然对现实有一个一致的认识。答案是，相当严肃地讲，我们没有。如果暗能量按照大尺度结构、CMB 和超新星数据的综合结果在最不保守的假设下演化，我们会遇到两种情况。第一，中微子质量总和最终为负，这在宇宙历史的早期会影响宇宙的膨胀，这是不符合物理规律的。（根据中微子振荡数据，我们确定总和不小于 0.059 eV/c²，这是一个正数，在物理上是可以接受的。）第二，如果暗能量按照数据所示演化，它可能是一种幻影能量，违反了宇宙预期遵循的多种能量条件。
这些都不是反对暗能量演化的证据，但如果把所有这些证据放在一起，就无法让一个公正（但知识渊博）的观察者相信，演化的暗能量是解决这些宇宙谜题和矛盾的唯一甚至最佳方案。即使是同一颗超新星，不同超新星组合的强度也可能存在偏差，这或许说明了问题，这表明将这些不同的数据集结合在一起并据此得出关于我们宇宙的结论仍然是一项冒险的举动。我认为最明智的做法是持开放态度，接受暗能量演化的可能性，但在得出明确结论之前，要求提供更好、更高质量、更明确的数据。虽然许多科学家都在争相成为第一个做出新发现的人，这是可以理解的，但世界其他国家也应该足够谨慎，要求我们足够小心，确保我们早期的结论不会在更好的证据出现时就土崩瓦解。
来源：人工智能学家
