尋找暗能量（三）：宇宙學的終結

「更為重要的是，儘管我們有幸生活在這樣一個宇宙時期，能夠觀測到支持大爆炸的許多證據，我們也應該認識到，宇宙還存在著其它今天已經無法觀測的基本屬性。我們已經丟失了什麼信息?這個問題沒人能夠回答。與其自滿，寧可謙遜。或許有一天，人們會發現，我們目前對宇宙看似嚴謹而全面的認識，其實是完全不合格的。」

馮瓏瓏中山大學天文與空間科學研究院教授5滾動的暗能量

為了避免宇宙學常數帶來的嚴重理論疑難，第二種選擇則是構造一個動力學標量場，暗能量由這個標量場的能量所主導。

通常，我們用狀態方程參數來表徵暗能量的特性，它定義為暗能量壓強

和能量密度

之比，即

對宇宙學常數刻畫的暗能量模型，我們有

。對於動力學暗能量模型，理論上必須具備以下特性：一是可以提供驅動加速膨脹的負壓，再就是它可以避免上一節提到的巧合性問題。此外，這類模型的能量密度在空間幾乎是處處均勻的，但一般都隨時間變化，進而導致各不相同的宇宙膨脹歷史。

對形形色色的暗能量模型，物理學家習慣用狀態方程參數

或

對其進行分類。根據這個分類，有代表性的模型有：被稱為第五元素的精質模型(

)，令人膽寒的幽靈模型(

),以及詭異善變的精靈模型(

可以穿越

)。

圖7 流行暗能量模型的基本工作方式，隨著暗能量場慢滾的進行，摩擦阻力不斷增加，勢能的釋放最終轉化為新粒子的生成，而暗能量的變化直接影響宇宙的膨脹行為

精質模型的工作方式和宇宙極早期驅動暴漲的過程非常類似。我們可以設想一個勢阱中滾動的小球。初始它位於勢阱的高處，隨著宇宙膨脹，逐漸向能量最低處，即勢阱的底部下滑。如果我們可以很好地設計勢阱的形狀，使得小球緩慢地滾動，這時小球的能量由勢能所主導，充當負壓的角色。這時的宇宙處於加速膨脹狀態。隨著長時間的慢滾，最終小球的勢能通過轉化成一種新型粒子而全部釋放，由此宇宙重新進入物質主導時期，並再次回到減速膨脹。

儘管離真相可能還很遠，精質模型描繪的未來遠景卻令人愉悅。設想宇宙是一個有靈魂的生命，當步入暮年，讓快節奏的生活減速，重新步入一個慢的宇宙生活，何嘗不是個誘人的選擇。

圖8 宇宙標度因子隨宇宙學時間的演化，它給出了大爆炸產生之後的宇宙演化歷史，並預言了不同模型中宇宙的最終命運

不過，如果我們不幸生活在一個幽靈暗能量統治的世界裡，末日預言聽起來則會令人不安。無疑，這是一個充滿想像力的模型。它引入一個負的動能項，也就是粒子物理中定義的所謂「鬼場」。這個模型預言的狀態方程參數總是滿足

，它導致的動力學行為是極端瘋狂的。在充滿幽靈暗能量的宇宙裏，真空能量密度會隨著宇宙的膨脹不斷增加，宇宙的膨脹也被不斷瘋狂地加速。最後的結局是令人膽寒：時空的極度拉伸導致宇宙中的星系團、星系、恆星、行星，甚至所有的原子都被撕裂，這就是宇宙的終結——大撕裂。

精靈模型則圓滑得多，它調和了精質和幽靈模型的特性，所預言的暗能量狀態方程參數可以在

和

之間平穩穿越，從而使宇宙在加速和減速膨脹中反覆轉換，避免了「大坍縮」和「大撕裂」的極端命運。6追蹤暗能量

當理論物理學家擴展對加速膨脹宇宙的想像空間時，天文學家也啟動了各種大型暗能量探測計劃，期待從宇宙中追尋到暗能量的蹤影。和暗物質不同，暗能量在空間幾乎是均勻分佈的，沒有直接的方法可以探測到它的存在。在傳統宇宙學的框架內，暗能量影響宇宙演化的方式主要有兩種，一是影響宇宙的整體膨脹，再就是通過改變膨脹背景，影響大尺度的物質擾動增長。這兩種方式可以引導我們去探尋暗能量的基本屬性。

2005年，美國能源部、宇航局及國家基金委共同組建了暗能量特別工作組，其目標是發展一套評測系統對所有暗能量探測手段進行綜合評估，並在此基礎上制定一個暗能量探測的發展路線圖。在眾多宇宙學探針中，工作組遴選出四大主要探針：Ia型超新星、重子聲波振蕩、弱引力透鏡和星系團計數。之後，紅移畸變效應由於其卓越探測能力也進入核心名單。目前，這五大探針中，除Ia型超新星外，其它四種方法都是宇宙大尺度結構理論的具體應用，是今後十至二十年第四代暗能量觀測計劃的核心探測手段，它有望在百分之一精度上對宇宙學模型、暗能量狀態方程給出限制，並在同樣精度上檢驗廣義相對論。

關於Ia型超新星和重子聲波振蕩，前面已有介紹，它是觀測宇宙學中標準燭光和標準尺的最引人注目的進展。其它三種方法均和宇宙大尺度結構的增長有關。

星系團計數是最低階的統計方法，簡單地說，就是數數。根據大尺度結構的演化模型，在給定紅移，給定質量範圍的星系團的數目依賴於結構的物質擾動的增長因子，而後者和宇宙的膨脹速度有關，進而取決於暗能量成分。因此，通過星系團巡天觀測，如果可以積累足夠多的樣本，原則上我們對暗能量的狀態方程給出限制。

紅移畸變效應是研究宇宙大尺度成團結構的重要方法。我們知道，對於一個均勻各向同性的宇宙，所有的星系都隨宇宙作均勻膨脹，即我們常說的哈勃流。但在真實宇宙中，由於物質擾動的存在，星系的分佈呈現非均勻的大尺度成團結構，並因此產生附加的引力勢擾動。這樣，星系會在局部引力場作用下產生所謂的本動速度，其徑向分量會疊加到大尺度哈勃流上，使測量到的紅移有所偏差。如果我們採用哈勃定律作為星系距離的示蹤器，那麼由此給出的星系的空間成團圖樣和真實情形就存在一定的偏差。特別地，在觀測徑向和橫向方向，星系的成團性就有所差異，這就是紅移畸變效應。顯然，這種差異和大尺度物質場的擾動增長有關，它為確定暗能量提供了另一種思路。

圖9 以宇宙大尺度結構為研究對象的暗能量探針，按觀測模式分為光譜巡天(星系團計數，紅移畸變和重子聲波振蕩)，以及圖像巡天(弱引力透鏡)。

引力透鏡效應是廣義相對論的重要預言。在一個物質聚集區域，時空將產生彎曲。當遠處發出的光穿過這個區域向我們行進時，時空的彎曲會導致光線的軌跡發生偏折，這就是愛因斯坦給出的光線引力偏折效應。光線偏折可以產生三種現象：一是多重像;再就是光線聚焦導致的光強增加;最後就是形變效應，即對有一定形狀的光源，經過偏折後的像會發生形狀的改變。由這三種現象衍生出來的觀測手段分別對應於強引力透鏡、微引力透鏡和弱引力透鏡效應。在觀測宇宙學上，弱引力透鏡特指宇宙大尺度結構對遙遠星系產生的形狀改變。和紅移畸變效應類似，它由大尺度的物質密度擾動所決定。結合斷層掃描技術，弱引力透鏡不僅可以確定宇宙的擾動增長，探討暗能量的作用，同時可以得到暗物質的大尺度分佈。正因為如此，隨著觀測精度的迅速提高，系統誤差修正的不斷更新，弱引力透鏡效應將成為暗物質和暗能量研究中最為強大的探測手段。

7宇宙學的終結

不知為何，這真相每一次都過於炫目，以致她的記憶無法承載，它總是燃燒起來，將自己的寓意無可換回地燒毀，只留下一篇曝光過度的空白。

——— 託馬斯品欽 [拍賣第四十九批]

「我們究竟是誰，從何處來，往何處去?」，這是一個困擾人類久遠，幾乎貫穿整個人類文明史的問題。在社會學、人類學、生物學等領域，它歸於不同的知識範疇、也有不同的答案。在現代宇宙學框架下，它更是超越了生物種羣的認同和歸屬的文化理念，將這種認知拓展到我們賴以生存的整個宇宙。

宇宙加速膨脹的發現，使愛因斯坦引入的宇宙學常數得以復活。事實上，在應對現有的天文學觀測檢驗上，基於宇宙學常數的諧和模型仍然表現出最優的行為。然而，「巧合性問題」的提出讓我們陷入歷史哥白尼主義的困境。如果我們在宇宙中的位置是處處平權的，人類出現在宇宙一個特殊時期的論斷同樣讓我們難以接受。

一個嚴肅的科學問題是，在一個宇宙學常數主導的加速膨脹宇宙中，對於未來的觀測者而言，未來的宇宙將以什麼樣的面目出現，智慧生命的最終命運是什麼?

在已有的知識框架內，宇宙學家描繪了這樣的場景：

在巨大引力作用下，我們所在的銀河系將和仙女座星系以及許多繞其旋轉的矮星系不斷接近，繼而相互碰撞產生併合，形成一個巨大的超星系。而其它遙遠的星系將隨著宇宙的膨脹加速退行。千億年之後，所有的星系將消失在宇宙的邊緣，即物理上所說的事件視界以外。那時，所有明亮的恆星已耗盡所有的燃料而熄滅，夜空中只留下為數眾多的較小恆星閃爍著暗淡的光芒。對於超星系中的智慧生命而言，即使採用最強大的望遠鏡，所能看到的也僅僅是漫天的點點星星—— 一個永恆、寧靜而又孤獨的巨大恆星系統。對那時的天文學家來說，赫歇耳的「宇宙島」或許是最形象的描述。

圖10 十九世紀的宇宙觀——赫歇耳的宇宙島：巨大恆星系統在茫茫宇宙中聚集形成的孤立島嶼

這幅宇宙圖景將導致一個不幸的結論，如果今天所看到的宇宙加速膨脹是真實的，千億年後的文明將不可能發現宇宙大爆炸的真相，而作為最早人類文明種子的天文學將失去今天的輝煌。

重溫宇宙學的歷史，原因不難推斷。天文學是建立於觀測的科學，天文學的進步直接取決於可以獲得的觀測事實。但對未來的文明來說，夜空中只有微暗的恆星，遠處的星系已退行到視界之外，哈勃的發現徹底流產，我們無法重建宇宙膨脹的圖象;宇宙微波背景輻射的輻射強度已被宇宙膨脹稀釋到目前的萬億分之一，而紅移後的波長也已長到被星際中的電離氣體反射或吸收，我們已無法聆聽到宇宙早期餘暉的嘶嘶作響。作為大爆炸模型重要檢驗的輕元素丰度將被恆星的數代生死輪迴所污染，從而無法給出早期核合成的任何線索。

事實上，千億年以後的宇宙觀又回到孤獨的「宇宙島」，即使居住類太陽系的居民可以出現哥白尼，但是沒有足夠的理由提出宇宙學原理;他們可以通過引力的精確測量發現廣義相對論，但他們中間卻產生不了哈勃。因此，在對宇宙的認知出現缺陷的未來，重建大爆炸宇宙學的理論幾乎是一件不可想像的事情。

未來天文學家對星空的觀測，同樣不能建立完整的恆星演化理論，不能解釋「宇宙島」的結構形成，更無法破解宇宙中物質的起源。不過有趣的是，僅僅依據引力理論，未來的天文學家做出的末日預言將一語成讖。他們眼中的世界——「宇宙島」，也就是我們今天所說的超星系，將在一聲巨響中轟然坍塌，形成一個超巨型黑洞。然而，他們至死都不知道遠處的宇宙並沒有消亡，而是在一個神祕力量的驅動下加速膨脹。聽起來這是個令人傷感悲情故事的結局。

回到今天，我們自然要問，為什麼現在的宇宙如此特殊?哥白尼革命導致人類從宇宙中心的撤離，但卻換來一個宇宙特殊時間的窗口。如果引入人擇原理，智慧生命的出現或許本質上就是一種選擇效應，我們無法擺脫超越時空的人類的優越感。