文 | 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 記者 甘曉
愛(ài)因斯坦也會(huì)犯錯(cuò)嗎？4月9日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)在北京發(fā)布的一項(xiàng)重要成果表明，愛(ài)因斯坦關(guān)于暗能量的想法可能錯(cuò)了。
國(guó)家天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)暗能量動(dòng)力學(xué)屬性檢驗(yàn)重大成果示意圖。（國(guó)家天文臺(tái)供圖，背景圖片來(lái)源：DESI官網(wǎng)）
由國(guó)家天文臺(tái)研究員趙公博領(lǐng)銜的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)基于“暗能量光譜巡天（DESI）”項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)，證實(shí)暗能量并不像愛(ài)因斯坦假設(shè)的“宇宙學(xué)常數(shù)”一成不變，而是很可能存在動(dòng)力學(xué)屬性。
該成果為探索宇宙加速膨脹背后的物理機(jī)制提供了全新視角與關(guān)鍵證據(jù)，同時(shí)意味著可能存在宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新物理。4月8日，相關(guān)研究成果在arXiv預(yù)印本網(wǎng)站公布。
“我一生中最大的錯(cuò)誤”
目前研究發(fā)現(xiàn)，我們身處的宇宙正在加速膨脹。理論上，這可能由約占宇宙總能量密度70%并具有負(fù)壓強(qiáng)的暗能量引起。
暗能量的本質(zhì)究竟是什么？這個(gè)問(wèn)題困擾了科學(xué)界20多年，至今依然沒(méi)有確切答案。
發(fā)布會(huì)上，趙公博從廣義相對(duì)論說(shuō)起，介紹了暗能量的來(lái)龍去脈。20世紀(jì)初，愛(ài)因斯坦在將廣義相對(duì)論方程應(yīng)用于整個(gè)宇宙時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)一個(gè)令人震驚的結(jié)論——宇宙無(wú)法保持靜止?fàn)顟B(tài)，它要么在膨脹，要么在收縮。這一結(jié)果與愛(ài)因斯坦認(rèn)為的“宇宙是靜態(tài)、永恒不變的”觀點(diǎn)大相徑庭，也讓他一度感到困惑。
于是，1917年，愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中強(qiáng)行引入宇宙學(xué)常數(shù)（Λ），試圖通過(guò)產(chǎn)生斥力來(lái)對(duì)抗引力，使宇宙保持靜止。然而，1929年，宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)顛覆了所有人的認(rèn)知?！耙胗钪鎸W(xué)常數(shù)是我一生中最大的錯(cuò)誤?！睈?ài)因斯坦親手劃掉了方程中的“Λ”。
再一次反轉(zhuǎn)發(fā)生在1998年，宇宙加速膨脹被發(fā)現(xiàn)。這意味著，確實(shí)存在某種未知的斥力在對(duì)抗引力，作為驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹的“幕后推手”?？茖W(xué)家重新審視愛(ài)因斯坦的方程，將其中的“Λ”項(xiàng)再次寫(xiě)入，并賦予它特定數(shù)值，完美解釋了觀測(cè)結(jié)果。
回顧這段歷史，科研人員認(rèn)為，正是愛(ài)因斯坦的“錯(cuò)誤”賦予了宇宙學(xué)常數(shù)新的生命。這個(gè)曾一度被遺棄的“錯(cuò)誤”，如今竟成為解釋宇宙約70%未知成分的關(guān)鍵。
幾乎“確認(rèn)”
科學(xué)家“撿回”愛(ài)因斯坦方程中“Λ”之后的20多年里，標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型（ΛCDM）成功解釋了大量宇宙學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)，被廣泛認(rèn)為是當(dāng)前最簡(jiǎn)且有效的理論框架。
趙公博介紹：“暗能量的物理性質(zhì)體現(xiàn)在其‘狀態(tài)方程’中，在ΛCDM中，暗能量通常被視為一種不隨時(shí)間演化的真空能量，其狀態(tài)方程恒定為-1。”
然而，隨著宇宙學(xué)觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展與數(shù)據(jù)精度的不斷提高，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，在ΛCDM模型下，不同類型的觀測(cè)數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)了一定程度的不自洽。這對(duì)ΛCDM模型提出了新的挑戰(zhàn)。
在這項(xiàng)由趙公博領(lǐng)銜的最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)了一套新的暗能量重構(gòu)分析方法。借助這一工具，他們對(duì)DESI最新獲取的宇宙膨脹速率進(jìn)行了測(cè)量，并結(jié)合超新星和宇宙微波背景輻射的觀測(cè)結(jié)果，為探索暗能量的本質(zhì)提供了重要數(shù)據(jù)支持。
他們的新發(fā)現(xiàn)是，暗能量的狀態(tài)方程隨著宇宙演化而發(fā)生變化。數(shù)據(jù)分析顯示，這一結(jié)論的置信度達(dá)到4.3希格瑪（σ）。在粒子物理學(xué)中，判斷一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是否“確鑿”的黃金標(biāo)準(zhǔn)是達(dá)到5σ，這意味著結(jié)果出錯(cuò)的概率僅為0.0001%，幾乎可以肯定其真實(shí)有效。
也就是說(shuō)，最新的研究結(jié)果幾乎“確認(rèn)”了愛(ài)因斯坦對(duì)宇宙學(xué)常數(shù)“Λ”的初步設(shè)想存在偏差——它并非恒定不變，而是隨著時(shí)間發(fā)生演化。
“這項(xiàng)研究證實(shí)了此前DESI國(guó)際合作組使用不同分析方法得到的結(jié)論，即‘暗能量很可能存在動(dòng)力學(xué)屬性’?！壁w公博強(qiáng)調(diào)，這對(duì)傳統(tǒng)的宇宙學(xué)常數(shù)模型構(gòu)成了挑戰(zhàn)，意味著具有更復(fù)雜的演化行為。
“暗能量研究進(jìn)入了一個(gè)新階段，在暗能量的觀測(cè)和理論解釋等方面還大有可為。”發(fā)布會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng)常進(jìn)高度評(píng)價(jià)了這項(xiàng)成果。
大科學(xué)裝置+國(guó)際合作
趙公博表示，下一步，他們課題組將持續(xù)利用DESI后續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行更精細(xì)的分析，并與國(guó)際同行攜手，力求通過(guò)高精度的測(cè)量和更完備的理論模型，對(duì)暗能量的動(dòng)力學(xué)屬性進(jìn)行更全面、更嚴(yán)格的檢驗(yàn)。
暗能量領(lǐng)域?qū)＜?、中?guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員張新民表示：“隨著數(shù)據(jù)的積累，我們有理由相信置信度數(shù)值將來(lái)一定會(huì)增加，最終達(dá)到5σ?！?/p>
在專家們看來(lái)，天文大科學(xué)裝置與國(guó)際合作對(duì)本次成果的取得至關(guān)重要。
DESI項(xiàng)目是當(dāng)今全球最重要的暗能量觀測(cè)計(jì)劃之一，聯(lián)合了全球70余家科研機(jī)構(gòu)組成了國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)。DESI依托4米口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)對(duì)數(shù)千萬(wàn)個(gè)天體的紅移進(jìn)行高精度測(cè)量，精細(xì)繪制宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的三維圖譜，旨在深入揭示暗能量的物理屬性。
趙公博團(tuán)隊(duì)與國(guó)家天文臺(tái)研究員鄒虎團(tuán)隊(duì)參與DESI項(xiàng)目已有10余年時(shí)間。趙公博團(tuán)隊(duì)牽頭合作組利用自主開(kāi)發(fā)的分析方法開(kāi)展暗能量性質(zhì)的系統(tǒng)性研究。鄒虎團(tuán)隊(duì)則積極參與DESI項(xiàng)目的科學(xué)運(yùn)行，為DESI數(shù)據(jù)釋放貢獻(xiàn)了重要的增值星表，推動(dòng)了科學(xué)新發(fā)現(xiàn)的進(jìn)展。
如今，全球各國(guó)都在積極布局大型天文觀測(cè)設(shè)備。其中，國(guó)際上有口徑4米的多目標(biāo)光譜儀望遠(yuǎn)鏡（4MOST）、口徑6.5米的MegaMapper望遠(yuǎn)鏡以及10米級(jí)的莫納克亞光譜巡天望遠(yuǎn)鏡（MSE）等。我國(guó)則有口徑2米的中國(guó)空間站望遠(yuǎn)鏡（CSST）、口徑6.5米的寬視場(chǎng)巡天望遠(yuǎn)鏡（MUST）以及計(jì)劃中的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）二期巡天和10米級(jí)的極大光譜巡天望遠(yuǎn)鏡（ESST）等。
“希望大家支持天文界發(fā)展大裝置！”對(duì)此，常進(jìn)呼吁，“當(dāng)然，有了大裝置，如何通過(guò)這個(gè)先進(jìn)的工具取得世界級(jí)成果，也是天文學(xué)家值得考慮的問(wèn)題。”
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