1992年我完成博士学位时，宇宙充满了神秘感——我们甚至不知道它到底是由什么构成的。有人可能会说，自从20世纪60年代发现宇宙微波背景(CMB)(大爆炸的余辉)以来，宇宙学家在理解这些基本事实方面几乎没有取得任何进展。

暗能量我们认为恒定的神秘力量实际上会随着宇宙时间而变化吗

博士毕业后，我离开英国，前往美国开始研究生涯。在那里，我很幸运地被招募参与一项名为斯隆数字巡天(SDSS)的新实验。这项新调查采用了数字技术的进步，旨在测量一百万个星系的“红移”(当光源远离你时，光会变得更红)。

这些红移随后被用来测量距离，并帮助宇宙学家绘制出宇宙的三维结构。

20世纪80年代，基于玛格丽特·盖勒和约翰·胡赫拉开创性的CfA红移巡天计划，宇宙之谜之一是我们宇宙邻近星系的显著团块性，因此物质也如此。星系聚集在各种尺度上，有证据表明，连贯的“超星系团”星系长度超过3000万光年。

了解这些超星系团如何从平滑的CMB中形成非常重要，因为它将告诉我们宇宙中物质的总量，更有趣的是，这些物质是由什么构成的。这是假设唯一起作用的力量是引力。

到SDSS第一阶段结束时，我们已实现100万红移的目标。这些数据被用于发现宇宙中的许多超星系团，包括令人惊叹的“斯隆长城”，它仍然是宇宙中已知的最大相干结构之一，长度超过10亿光年。

我很幸运，在世纪之交经历了这个令人惊叹的宇宙探索时代。像SDSS这样的巡天，加上对CMB的新观测和对遥远爆炸恒星(称为Ia型超新星(SNeIa))的搜索，一致为“宇宙是由什么构成的?”这个问题给出了有力的答案。

暗能量的发现

从1999年到2004年，宇宙学界一致认为，宇宙由5%的正常(重子)物质、25%的暗物质(未知、不可见物质)和70%的“暗能量”(一种膨胀力)组成，这本质上是一个宇宙常数，由爱因斯坦首次提出。宇宙由这种恒定能量主导的发现震惊了所有人，尤其是爱因斯坦称宇宙常数是他“最大的错误”。

如今，宇宙学家仍然认为这是我们宇宙最有可能的构成。但像我这样的观测宇宙学家已经大大改进了对这些宇宙变量的测量，从而减少了这些量的误差。

暗能量调查(DES)的最新数据显示，宇宙中31.5%是物质(暗物质和正常物质的结合)，其余部分是假定为宇宙常数的暗能量。这一测量的误差仅为3%。

更精确地了解这些数字有望帮助宇宙学家理解宇宙为何如此。为什么我们预计当今宇宙的70%是“暗的”(无法通过电磁辐射看到)并且不像宇宙中的其他一切一样与“物质”相关?

即使经过20年的深入研究，暗能量的起源仍然是物理学面临的最大挑战。

有趣的测量

像我一样，过去二十年里，一些宇宙学家被其他问题分散了注意力。然而，2024年可能是一个新发现时代的开始。今年，宇宙学家根据我们最好的两个宇宙探测器发表了新成果。

第一个探测器由被称为“超新星”的爆炸恒星组成。由于这些恒星的质量范围很窄，它们的爆炸可以被很好地校准，从而为宇宙学家提供了可预测的亮度，可以在很远的地方看到。通过将这些超新星的已知亮度与它们的红移进行比较，我们可以确定宇宙的膨胀历史。事实上，这些物体对于发现我们的宇宙膨胀正在加速至关重要。

第二个探测器通过观察重子声学振荡(BAO)来工作，重子声学振荡是CMB之前早期宇宙等离子体(带电气体)中可预测声波的遗迹。这些声波现在被冻结在我们周围星系的大尺度结构中。与超新星一样，它们的可预测大小可以与今天观测到的大小进行比较，以测量宇宙的膨胀历史。

最近，DES公布了其十多年来对超新星的最终研究结果，这些研究发现并描述了数千起超新星事件。虽然这些超新星研究结果与宇宙由宇宙常数主导的正统观点一致，但它们确实为新物理学留下了诱人的可能性——即暗能量可能随宇宙时间而变化。

话虽如此，科学家们接受过怀疑精神的训练，并且有很多理由不相信单个实验、单个观察，甚至单个宇宙学家!

如今，宇宙学家们竭尽全力在数据分析过程中“隐藏”自己的研究结果，只在最后一刻才透露答案。这样做是为了避免无意识的人类偏见影响工作，这可能会鼓励人们得到他们认为应该看到的答案。

这就是为什么结果的可重复性是所有科学的核心。在宇宙学中，我们珍视多次实验的必要性，相互检验和挑战。

第二个引人注目的结果是暗能量光谱仪(DESI)的首次BAO测量结果，DESI是SDSS的后继者。第一张宇宙DESI地图比最初的SDSS更深、更密集。它的首次BAO结果很有趣——数据本身仍然符合宇宙常数，但与其他数据源结合时，暗示可能存在随时间变化的暗能量。

尤其是当DESI分析其BAO结果与最终DESSNeIa数据的组合时，时变暗能量的显著性增加到3.9西格玛(衡量某个假设成立时一组数据的不同寻常程度)——仅有0.6%的概率是统计上的侥幸。

我们大多数人都会接受这样的几率，但科学家以前也曾因数据中的系统性错误而受到伤害，这些错误可以模仿这种统计确定性。因此，粒子物理学家要求任何新物理学的发现标准为5西格玛——或者说错误几率小于百万分之一!

正如科学家所说：“非凡的主张需要非凡的证据。”

令人难以置信的影响

我们是否正在进入宇宙学探索的新时代?如果是这样，这意味着什么?

我第一个问题的答案可能是肯定的。未来几年对宇宙学家来说将是充满乐趣的几年，因为欧洲航天局的欧几里得任务将带来新的数据和结果。该任务于去年发射，目前已经以前所未有的精度扫描天空。

同样，DESI将获得更多更好的数据，而欧洲南方天文台将于2025年开始自己的大规模红移调查。然后智利的鲁宾天文台也即将上线。结合这些数据集应该可以毫无疑问地证明暗能量是否随宇宙时间而变化。

如果确实如此，则意味着现在的暗能量比过去要少。这可能是由多种因素造成的，但有趣的是，这可能意味着宇宙膨胀加速阶段的结束。

这也意味着暗能量可能不是宇宙常数，人们认为它是由于与空空间相关的背景能量而产生的。根据量子力学，空空间并不是真正空的，粒子的出现和消失产生了我们称之为“真空能量”的东西。讽刺的是，对这种真空能量的预测与我们的宇宙学观测结果相差很多个数量级。

因此，如果我们确实发现暗能量会随时间变化，这或许可以解释为什么观测结果与量子力学相矛盾，而量子力学是一种经过充分检验的理论。这意味着标准宇宙学模型中的假设，即暗能量是恒定的，需要重新思考。这样的认识可能有助于解决宇宙的其他谜团——或者提出新的谜团。

简而言之，本十年即将出现的新的宇宙学观测将激发物理学思维的新时代。祝贺我的年轻宇宙学家们：这是你们尽情玩乐的时代。