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#時間深度 #宇宙的告白

可能粉碎宇宙學(xué)二十五年的危機內(nèi)部

“宇宙不僅比我們想象的更酷兒,而且比我們想象的更酷兒?！?/p>

— JBS 霍爾丹,1927

一、不可能的數(shù)字

埋藏在發(fā)表于 的同行評審論文的表 1 中 高能物理學(xué)報 2024年9月17日,有一個數(shù)字不應(yīng)該存在。該數(shù)字為負0。16電子伏。

該圖代表了宇宙中中微子質(zhì)量總和的最佳擬合值,該值是通過將暗能量光譜儀器的觀測結(jié)果與普朗克衛(wèi)星和阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠鏡的數(shù)據(jù)相結(jié)合來測量的。加州大學(xué)圣巴巴拉分校的作者—Nathaniel Craig、加州大學(xué)圣地亞哥分校的 Daniel Green、南衛(wèi)理公會大學(xué)的 Joel Meyers 和約翰·霍普金斯大學(xué)的 Surjeet Rajendran 沒有將這一發(fā)現(xiàn)埋在附錄中,也沒有將其視為統(tǒng)計文物。他們用一個掩蓋其革命性含義的雙關(guān)語來命名他們的論文:“No νs is Good News?！?/p>

問題很簡單。中微子質(zhì)量不能為負。根據(jù)定義,質(zhì)量是一個正量。質(zhì)量為負的粒子將違反量子場論、狹義相對論以及我們所理解的有關(guān)物理宇宙的一切的基本結(jié)構(gòu)。然而,以無可挑剔的統(tǒng)計嚴謹性分析并發(fā)表在物理學(xué)’最負盛名的期刊之一上的數(shù)據(jù)更喜歡 Σmν = ?160 ± 90 meV 的值,置信度為 68%。 粒子物理實驗所需的最小質(zhì)量—通過數(shù)十年的中微子振蕩測量確定的大約0.059 eV的振蕩底座—在99%置信度下被排除。

這并不是邊緣合作的結(jié)果。暗能量光譜儀器代表了有史以來最大、最復(fù)雜的星系調(diào)查。DESI 在亞利桑那州基特峰國家天文臺的梅奧爾望遠鏡上運行,繪制了超過 1400 萬個星系和類星體的三維位置,跨越 110 億年的宇宙歷史。其第二次數(shù)據(jù)發(fā)布于 2025 年 3 月 19 日宣布,提供了有史以來最精確的重子聲振蕩測量結(jié)果—來自早期宇宙的化石聲波,作為測量空間本身膨脹歷史的宇宙尺子。

DESI合作組織關(guān)于中微子物理學(xué)的官方論文,由杜倫大學(xué)的Willem Elbers領(lǐng)導(dǎo),118位科學(xué)家共同撰寫,以不同尋常的坦率總結(jié)了情況:

“統(tǒng)計方法令人驚訝地表明物理上不可能的負質(zhì)量,將張力推至 3σ。” 的顯著性

三西格瑪大致相當(dāng)于隨機機會發(fā)生的三百七十分之一的概率。在任何其他情況下,這將被視為有力的證據(jù)。在這種情況下,這是不可能的證據(jù)。

是什么讓這一發(fā)現(xiàn)真正令人不安—是什么將其從一種特殊的統(tǒng)計異常提升到基礎(chǔ)物理學(xué)的潛在危機—is負中微子質(zhì)量并不是 DESI 數(shù)據(jù)告訴我們的唯一不可能的事情。通過同樣嚴格的統(tǒng)計框架分析的相同觀察結(jié)果表明,暗能量（驅(qū)動宇宙加速膨脹的神秘力量）并不是恒定的。它似乎正在進化。不僅僅是進化,而且以一種我們所理解的關(guān)于一致的物理理論的一切都應(yīng)該禁止的方式進化。

數(shù)據(jù)更喜歡暗能量狀態(tài)方程,該方程已經(jīng)穿過負 one—the 宇宙學(xué)常數(shù)值—,從過去的幻象領(lǐng)域（w < ?1) 到今天的精髓領(lǐng)域（w > ?1)。正如物理學(xué)家所說,這種幻影交叉要么需要量子不穩(wěn)定性,從而在微觀時間尺度上撕裂宇宙,要么需要徹底修正我們對引力和時空的理解。這兩種選擇都不好吃。兩人都擺在桌面上。

我們正在實時目睹當(dāng)有史以來最精確的測量宇宙的儀器返回我們理論框架無法容納的答案時會發(fā)生什么。測量結(jié)果并沒有錯誤,獨立團隊使用獨立的方法對它們進行了檢查和重新檢查,并進行了宇宙學(xué)史上最嚴格的系統(tǒng)誤差分析。數(shù)學(xué)并沒有錯—所采用的統(tǒng)計技術(shù)是整個物理學(xué)中使用的標(biāo)準工具,并在數(shù)十年的成功預(yù)測中得到了驗證。別的事情一定是錯誤的。問題是怎么。

我是斜杠青年，一個PE背景的雜食性學(xué)者！?致力于剖析如何解決我們這個時代的重大問題！?使用數(shù)據(jù)和研究來解決真正有所作為的因素！

二、DESI 實際測量到的內(nèi)容

DESI結(jié)果為何在宇宙學(xué)界發(fā)出沖擊波,我們必須首先了解DESI實際測量了什么,以及為什么這些測量具有如此非凡的權(quán)重。

DESI 是一項光譜巡天,這意味著它不僅測量星系在天空中的位置,還測量星系的紅移—光子穿過宇宙距離時空間膨脹引起的光拉伸。DESI通過將角位置與紅移距離相結(jié)合,以前所未有的精度構(gòu)建了宇宙大規(guī)模結(jié)構(gòu)的三維地圖。

在這張地圖中,DESI 搜索一種微妙但獨特的模式:重子聲振蕩。在大爆炸后的最初幾十萬年里,在宇宙冷卻到足以形成原子之前,宇宙充滿了由電子、質(zhì)子和光子組成的熱等離子體,在宇宙舞蹈中鎖定在一起。聲波—壓力波由重力向內(nèi)拉動物質(zhì)和輻射壓力向外推動物質(zhì)的相互作用驅(qū)動—以大約一半的光速傳播通過該等離子體。當(dāng)宇宙最終冷卻到足以在稱為重組的時代形成原子時,這些聲波凍結(jié)在適當(dāng)?shù)奈恢?在物質(zhì)分布上留下了大約 150 兆秒差距（約 4.9 億光年）的特征尺度。

這種音階被稱為聲視界,提供了宇宙標(biāo)準尺。通過測量宇宙歷史上不同紀元該尺子的表觀大小—通過觀察重子聲振蕩如何在不同紅移處的星系分布中出現(xiàn)—宇宙學(xué)家可以以精致的精度重建宇宙的膨脹歷史。尺子的物理尺寸是由早期宇宙中已知的物理學(xué)確定的。因此,其觀察到的尺寸的任何明顯變化都必須反映當(dāng)時和現(xiàn)在之間空間的幾何形狀和膨脹。

DESI的第二次數(shù)據(jù)發(fā)布提供了對這個宇宙尺的測量,在七個不同的紅移切片上,跨度從z = 0.3到z = 2.33,涵蓋了大約110億年的宇宙歷史。這些測量的統(tǒng)計精度非同尋常:聲音視界距離最多只能超過 1% 的紅移,這比 DESI 的首次數(shù)據(jù)發(fā)布提高了兩倍,也是重子聲振蕩方法四十年改進的頂峰。

結(jié)果是明確的。當(dāng)與宇宙微波背景的測量相結(jié)合時—普朗克衛(wèi)星和阿塔卡馬宇宙學(xué)望遠鏡觀測到的大爆炸余輝—DESI數(shù)據(jù)顯示與標(biāo)準宇宙學(xué)模型ΛCDM的預(yù)測存在明顯偏差。該模型作為共識框架已存在了四分之一個世紀,假設(shè)暗能量采用宇宙學(xué)常數(shù)的形式,狀態(tài)方程 w = ?1 完全不變,在宇宙時間內(nèi)不變。

DESI 數(shù)據(jù)更喜歡進化。當(dāng)暗能量狀態(tài)方程根據(jù)標(biāo)準 CPL 參數(shù)化允許變化時—w（z）= w? + wa × z/(1+z）,其中 w? 是當(dāng)前值,wa 捕獲變化率—組合的 DESI 和 CMB 數(shù)據(jù)不利于 ΛCDM 3.1σ 顯著性。Ia型超新星數(shù)據(jù)添加暗能量調(diào)查的五年數(shù)據(jù)集時,對演化暗能量的偏好上升到4.2σ。這可以輕松地高于傳統(tǒng)的 3σ 證據(jù)閾值,并接近 5σ 發(fā)現(xiàn)標(biāo)準。

三、幻影穿越問題

DESI分析中最適合的價值觀講述了一個非凡的故事。在當(dāng)今時代,暗能量似乎具有圍繞 w? ≈ ?0.75 至 ?0.78— 的狀態(tài)方程,顯著大于 ?1 的宇宙學(xué)常數(shù)值。然而,在最近的宇宙過去,數(shù)據(jù)更喜歡 w < ?1,將暗能量置于物理學(xué)家所說的幻影狀態(tài)。這些政權(quán)之間的轉(zhuǎn)變,即幻影交叉,似乎發(fā)生在紅移 z ≈ 0.5 左右,相當(dāng)于大約 50 億年前。

這提出了一個深刻的理論問題。在幻影狀態(tài)（w < ?1)中,暗能量的能量密度實際上隨著宇宙的膨脹而增加,而不是減少或保持恒定。對于簡單的標(biāo)量場—動力暗能量的最自然的理論候選者—進入幻影狀態(tài)需要負動能項,這會導(dǎo)致災(zāi)難性的量子不穩(wěn)定性。粒子將以指數(shù)級增長的級聯(lián)從真空中產(chǎn)生,這將以比觀測到的年齡短得多的時間尺度摧毀宇宙。

幻影交叉本身就更加成問題。對于從 w < ?1 到 w > ?1 的單個標(biāo)量場,動能必須通過零,而勢能保持非零—a 數(shù)學(xué)奇點,這在任何一致的經(jīng)典或量子理論中都無法實現(xiàn)。原則上,涉及多個場或修改重力的更多奇異構(gòu)造可以產(chǎn)生幻影交叉,但這些通常預(yù)測引力波傳播中的特定特征,而這些特征已經(jīng)被觀測排除。

2017年8月17日在引力波和電磁輻射中同時觀測到的中子星合并GW170817提供了至關(guān)重要的約束。引力波和伽馬射線在傳播了大約 1.3 億光年后,在 1.7 秒內(nèi)到達。這種近乎同時的到達將重力速度和光速之間的差異限制為優(yōu)于萬億分之一 (|c_gw/c ? 1| < 10?1?)。大多數(shù)可以產(chǎn)生幻影交叉的修改后的重力理論都預(yù)測在遠遠超過此界限的水平上與 c_gw = c 的偏差。

我們面臨著一個令人不安的局面。數(shù)據(jù)強烈喜歡標(biāo)準物理學(xué)無法容納的東西。要么數(shù)據(jù)包含未識別的系統(tǒng)錯誤,要么我們的理論框架需要在基本層面上進行修訂。這兩種可能性都不能被駁回。

四、中微子危機

孤立地看,幻影交叉問題就足夠令人不安了。但 DESI 數(shù)據(jù)提出了第二個同樣令人不安的異?，F(xiàn)象,乍一看似乎完全無關(guān):中微子質(zhì)量的宇宙學(xué)測量。

中微子是標(biāo)準模型—的幽靈粒子,幾乎無質(zhì)量,電中性,相互作用如此微弱,每秒有數(shù)萬億個粒子穿過你的身體而不留下痕跡。幾十年來,物理學(xué)家一直認為中微子完全沒有質(zhì)量,正如最初的標(biāo)準模型所預(yù)測的那樣。1998年,當(dāng)日本的超級神岡實驗發(fā)現(xiàn)中微子在旅行時在味道之間振蕩時,這一假設(shè)被打破了,只有當(dāng)不同的中微子種類具有不同的質(zhì)量時,這種現(xiàn)象才有可能發(fā)生。中微子有質(zhì)量。問題是多少錢。

振蕩實驗以非凡的精度測量中微子種類之間的質(zhì)量差異,但無法確定絕對質(zhì)量尺度。他們可以確定的是一個下界:如果最輕的中微子種類具有正常排序（ν? < ν? < ν?),則所有三個中微子質(zhì)量的總和必須超過大約 0.059 eV,如果排序顛倒,則必須超過 0.099 eV。該振蕩底板不是統(tǒng)計不確定性或理論假設(shè)—它是測量質(zhì)量分裂的直接結(jié)果,并且代表粒子物理學(xué)中最可靠的結(jié)果之一。

宇宙學(xué)提供了一種測量中微子質(zhì)量的補充方法。大質(zhì)量中微子為宇宙結(jié)構(gòu)的演化留下了獨特的印記。在早期宇宙中,當(dāng)中微子是相對論性的時,它們會自由地從引力勢井中流出,抑制密度波動在小于其自由流長度的尺度上的增長。這種抑制持續(xù)到晚期宇宙,以特征尺度依賴模式降低物質(zhì)功率譜的幅度。通過測量這種抑制,宇宙學(xué)家可以獨立于振蕩實驗來限制中微子質(zhì)量的總和。

DESI DR2 結(jié)果將這種宇宙學(xué)約束推向了前所未有的精度。在標(biāo)準ΛCDM模型下,將DESI重子聲振蕩測量與普朗克和ACT宇宙微波背景數(shù)據(jù)相結(jié)合,得出上限 95%置信度下Σmν < 0.0642 eV。這種界限之所以令人驚訝,有兩個原因。首先,統(tǒng)計不確定性已縮小至僅 0.020 eV,使其成為有史以來最精確的宇宙學(xué)中微子質(zhì)量測量值。其次,更令人不安的是,這個上限低于 0.059 eV 的振蕩底板。

再讀一遍。宇宙學(xué)數(shù)據(jù)告訴我們,中微子的重量比粒子物理實驗證明它們必須稱重的重量要小。這并不是統(tǒng)計不確定性邊緣的邊際緊張。DESI 合作使用貝葉斯方法報告了 3σ 顯著性的差異,并獲得了 Feldman-Cousins 的上限 Σmν < 0.053 eV 使用頻率方法—a 值以舒適的邊際突破振蕩底板。

當(dāng)分析擴展到允許負有效中微子質(zhì)量—a數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)時,可以模仿其他來源的負能量密度—后分布峰值約為?0.10至?0.12 eV。這是 Craig 等人對 DESI DR1 數(shù)據(jù)分析中 ?160 meV 圖的起源,現(xiàn)在得到了更強大的 DR2 數(shù)據(jù)集的證實和加強。

五、連接

這里是情節(jié)變厚的地方。中微子質(zhì)量張力和暗能量演化偏好不是獨立的現(xiàn)象。它們通過宇宙膨脹的幾何形狀緊密相連。

當(dāng)暗能量狀態(tài)方程根據(jù) w?waCDM 參數(shù)化演化時,就會發(fā)生一些值得注意的事情:中微子質(zhì)量張力基本上消失。在不斷變化的暗能量下,DESI 和 CMB 數(shù)據(jù)產(chǎn)生 95%置信度下Σmν < 0.163 eV—值舒適地高于振蕩底板,并且與所有已知的物理原理一致。產(chǎn)生幻影交叉的相同修改膨脹歷史也將宇宙中微子質(zhì)量約束從不可能低轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆侠怼?/p>

之所以出現(xiàn)這種聯(lián)系,是因為中微子質(zhì)量和暗能量都通過相似的幾何效應(yīng)影響相同的宇宙學(xué)可觀測值。大質(zhì)量中微子有助于宇宙的總能量密度,影響膨脹率和距離紅移關(guān)系。不斷變化的暗能量還以紅移依賴性方式改變膨脹率。從重子聲振蕩測量的角度來看,這些效應(yīng)是部分簡并的:在某些參數(shù)范圍內(nèi),較高的中微子質(zhì)量與不斷演化的暗能量相結(jié)合,可以產(chǎn)生與具有恒定暗能量的較低中微子質(zhì)量幾乎相同的距離測量。

DESI 協(xié)作直接提出: “DESI 和 CMB 數(shù)據(jù)對不斷發(fā)展的暗能量模型的偏好提供了一種可能的解決方案”中微子質(zhì)量張力。但這種框架掩蓋了一個更深層次的問題:

哪種異常是信號,哪種是癥狀？

我們是否正在檢測到真正的暗能量演化,從而偶然解決中微子張力？或者我們是否通過恰好有足夠自由來吸收差異的模型誤解了一些未識別的系統(tǒng)錯誤？

六、超新星問題

當(dāng) Ia 型超新星數(shù)據(jù)添加到分析中時,演化暗能量的情況急劇加強。DESI和CMB數(shù)據(jù)單獨偏好3.1σ的演化。加暗能量調(diào)查的五年超新星樣本,將其推至4.2σ—任何數(shù)據(jù)組合觀察到的最強統(tǒng)計偏好。這種增強自然而然地將注意力集中在超新星數(shù)據(jù)是否可能包含人為夸大暗能量演化信號的系統(tǒng)誤差上。

劍橋大學(xué)的喬治·埃夫斯塔修（George Efstathiou）在 2025 年初發(fā)表在《皇家天文學(xué)會月刊》上的一篇論文中恰恰提出了這一擔(dān)憂。Efstathiou 確定了低紅移超新星（主要來自基礎(chǔ)調(diào)查、CfA 樣本和卡內(nèi)基超新星項目）與暗能量調(diào)查觀察到的高紅移超新星之間大約 0.04 星等的系統(tǒng)偏移。這種偏移如果是真實的,可能是由于調(diào)查之間光度校準、灰塵校正或選擇效應(yīng)的差異引起的,并且可能會大大削弱或消除對演化暗能量的偏好。

黑暗能量調(diào)查小組以瑪麗亞·文森齊領(lǐng)導(dǎo)的詳細反駁作為回應(yīng)。他們的分析將這種抵消歸因于合法的物理和方法差異的結(jié)合:超新星固有散射和宿主星系特性的改進建模約占差異的 43%,而選擇函數(shù)和馬爾姆奎斯特偏差校正的差異又占 38%。 至關(guān)重要的是,他們證明,即使采用 Pantheon+ 分析方法—（不會產(chǎn)生相同的偏移—only）,也會減少暗能量從 3.9σ 演化到 3.3σ 的證據(jù)。信號減弱但不會消失。

Chaudhary、Capozziello 和合作者的單獨分析采用了不同的方法:他們沒有針對潛在的系統(tǒng)學(xué)進行調(diào)整,而是簡單地排除了最有問題的低紅移數(shù)據(jù)。當(dāng)從樣本中刪除低于 z = 0.01 的超新星時,他們發(fā)現(xiàn)演化暗能量的證據(jù) “顯著減弱”,并且大多數(shù)動力學(xué)模型 “恢復(fù)到不確定或弱支持。” 這一發(fā)現(xiàn)表明,紅移非常低的超新星—那些最容易受到特殊速度校正和局部結(jié)構(gòu)效應(yīng)影響的超新星—可能會驅(qū)動不成比例的信號份額。

超新星系統(tǒng)問題仍然真正懸而未決。不同的分析選擇會產(chǎn)生有意義的不同結(jié)論。顯而易見的是,DES 超新星所看到的 4.2σ 偏好并不對所有方法學(xué)變化都具有魯棒性。這是否反映了真正的系統(tǒng)學(xué),應(yīng)該降低我們對演化暗能量的信心,或者替代分析是否正在丟棄真實的宇宙學(xué)信息,不能僅根據(jù)數(shù)據(jù)來確定。

七、LRG 異常

DESI結(jié)果中最令人不安的方面也許是暗能量演化信號似乎是由少數(shù)特定數(shù)據(jù)點驅(qū)動的,這些數(shù)據(jù)點在標(biāo)準宇宙學(xué)和先前測量中都顯示出不尋常的張力。

Domenico Sapone 和 Savvas Nesseris 在 2025 年發(fā)表在《物理評論 D》上的一篇論文中,對 DESI 重子聲振蕩測量進行了系統(tǒng)的異常值分析。他們特別確定了兩個數(shù)據(jù)點來驅(qū)動與 ΛCDM 的大部分偏差:有效紅移時的發(fā)光紅色星系測量 z = 0.51（LRG1) 並 z = 0.71（LRG2)。這些點在 2.0–2.5σ 水平上單獨顯示出與普朗克校準的 ΛCDM 預(yù)測的張力,并且在大約 2σ 的相同紅移下也與先前的 BOSS DR12 測量值顯示出張力。

Sapone 和 Nesseris 進行了一項揭示性測試:他們重復(fù)了宇宙學(xué)分析,排除了這些特定數(shù)據(jù)點。結(jié)果令人震驚:

沒有 z = 0.295、0.51 和 0.71 測量值:

?w? = ?1.050 ± 0.128（與宇宙學(xué)常數(shù)一致）

?wa = 0.208 ± 0.546（與零演化一致）

換句話說,整個暗能量演化信號消失了。ΛCDM 被恢復(fù)。

這并不一定意味著 LRG 測量是錯誤的。統(tǒng)計波動會產(chǎn)生異常值;大約二十分之一的數(shù)據(jù)點將純粹偶然地偏離平均值 2σ 或更多。DESI 合作對這些測量進行了廣泛的系統(tǒng)誤差測試,但沒有發(fā)現(xiàn)儀器或分析偽影的證據(jù)。數(shù)據(jù)通過了每次驗證檢查。

但一些特定測量中信號的濃度應(yīng)該會讓我們停頓。強大的宇宙學(xué)探測應(yīng)該在多個示蹤劑、紅移箱和方法中一致出現(xiàn)。當(dāng)對我們對宇宙的理解進行重大修改的證據(jù)關(guān)鍵取決于是否包括或排除三個特定數(shù)據(jù)點時,智力上的謙遜要求我們適當(dāng)謹慎地對待這些證據(jù)。

八、貝葉斯視角

本分析中引用的統(tǒng)計顯著性數(shù)字—3.1σ,4.2σ—是頻率量。他們測量如果 ΛCDM 為真,觀察到的數(shù)據(jù)的可能性有多大。但僅靠頻率主義意義并不能告訴我們應(yīng)該在多大程度上更新我們對暗能量進化的信念。為此,我們需要貝葉斯模型比較。

DDY 的全面貝葉斯分析。劍橋大學(xué)的 Ong、D。Yallup 和 W。Handley 于 2025 年 11 月出版,揭示了一幅更細致入微的圖景。DESI和CMB數(shù)據(jù)單獨來說,w?waCDM與ΛCDM比較的貝葉斯因子的對數(shù)是 ?0.57 ± 0.26。這個負值表明,從貝葉斯的角度來看,當(dāng)考慮到其較小的參數(shù)空間時,更簡單的ΛCDM模型實際上是首選。頻率論者對進化的偏好被貝葉斯對模型復(fù)雜性的懲罰所抵消。

只有當(dāng)添加暗能量巡天超新星數(shù)據(jù)時,貝葉斯證據(jù)才會翻轉(zhuǎn)為正值,對演化暗能量產(chǎn)生 3.07 ± 0.10σ 貝葉斯顯著性。但這里的分析也揭示了一些重要的事情:存在一個 DESI DR2 和 DES-Y5 數(shù)據(jù)集之間的約 2.95σ 張力 這僅存在于ΛCDM 框架內(nèi)。對演化暗能量的偏好出現(xiàn),部分原因是w?waCDM模型具有足夠的自由度來吸收在ΛCDM內(nèi)無法調(diào)和的數(shù)據(jù)集間張力。

這是值得認真考慮的關(guān)鍵點。當(dāng)兩個數(shù)據(jù)集在簡單模型中顯示張力時,引入可以容納兩者的更復(fù)雜的模型并不一定證明復(fù)雜模型反映了物理現(xiàn)實。這可能僅僅意味著復(fù)雜模型吸收了恰好將數(shù)據(jù)集推開的系統(tǒng)誤差或統(tǒng)計波動。如果沒有獨立驗證數(shù)據(jù)首選的暗能量演化的特定形式是在物理上實現(xiàn)的,我們就無法區(qū)分這些可能性。

九、什么才是真正的

如果 DESI 結(jié)果反映了真正的暗能量演化,而不是統(tǒng)計波動或系統(tǒng)誤差,那么就會產(chǎn)生一些深遠的影響。

第一中,暗能量不可能是宇宙學(xué)常數(shù)。25 年來一直主導(dǎo)理論物理學(xué)的真空能量解釋將被排除。這將消除許多物理學(xué)家認為對宇宙加速度最自然的解釋—盡管受到著名的宇宙學(xué)常數(shù)問題（理論預(yù)測與觀測值之間的 120 個數(shù)量級差異）的困擾。

第二中,暗能量必定是宇宙時間中演化的某種形式的動力場。主要候選者是精髓模型—標(biāo)量場慢慢滾動勢能景觀,隨著宇宙的膨脹將勢能轉(zhuǎn)化為動能。此類模型自然會產(chǎn)生時變狀態(tài)方程,但面臨著自己的微調(diào)問題:場質(zhì)量必須非常小（大約 10?33 eV）才能在宇宙學(xué)時間尺度上產(chǎn)生演化。

第三中, 明顯的幻影交叉構(gòu)成了嚴峻的理論挑戰(zhàn)。發(fā)明"“暗能量"一詞的杰出宇宙學(xué)家邁克爾·特納（Michael Turner）在 2025 年發(fā)表的論文中直接解決了這個問題。標(biāo)準精髓無法跨越幻影鴻溝。更奇特的多場模型或修改后的重力理論原則上可以產(chǎn)生交叉,但大多數(shù)人預(yù)測的重力波速度與光速不同,其水平已被 GW170817 排除。Turner 得出結(jié)論,“標(biāo)量場模型無法與 DESI 數(shù)據(jù)更喜歡的 ‘尖峰暗能量’相匹配?！?基于物理的精髓模型提供了“適度的改進”,但“無法完全解釋數(shù)據(jù)?！?/p>

第四中,我們對中微子物理學(xué)的理解需要修改。中微子質(zhì)量張力通過演化暗能量的解析是現(xiàn)象學(xué)的,而不是物理的。它之所以有效,是因為修改后的膨脹歷史改變了中微子質(zhì)量和可觀測特征之間的關(guān)系。但為什么宇宙應(yīng)該密謀產(chǎn)生隱藏中微子質(zhì)量以避免宇宙學(xué)探測所需的暗能量演化仍然無法解釋。

十、前進之路

宇宙學(xué)正處于拐點。我們測量的精度已經(jīng)超過了我們理論框架的精度。本應(yīng)以越來越高的精度確認標(biāo)準模型的數(shù)據(jù)反而揭示了難以輕松解決的緊張和異常情況。

未來幾年的幾項發(fā)展將被證明是決定性的。

歐幾里得: 2023年7月發(fā)射的歐洲航天局歐幾里得任務(wù)將于2026年10月21日發(fā)布首批數(shù)據(jù)。歐幾里得旨在繪制三分之一天空星系的三維分布圖,以與 DESI 相當(dāng)?shù)木忍峁┆毩⒌闹刈勇曊袷帨y量,但具有不同的系統(tǒng)誤差分布。如果歐幾里得用獨立的數(shù)據(jù)和方法證實 DESI 異常,新物理學(xué)的理由將大大加強。Euclid發(fā)現(xiàn)結(jié)果與ΛCDM一致,則異?？赡芸勺匪莸紻ESI特異性系統(tǒng)學(xué)。

魯賓天文臺: 智利維拉·C·魯賓天文臺于 2025 年 6 月 23 日實現(xiàn)首亮,其空間和時間遺產(chǎn)調(diào)查于 2026 年初開始全面運行。Rubin將在整個可觀測天空中發(fā)現(xiàn)數(shù)百萬顆Ia型超新星,提供比當(dāng)前樣本大幾個數(shù)量級的超新星數(shù)據(jù)集。這將證實或明確反駁埃夫斯塔蒂烏提出的低紅移超新星系統(tǒng)學(xué)。

DESI DR3: DESI的第三次數(shù)據(jù)發(fā)布,預(yù)計在2026年或2027年發(fā)布,將提供該調(diào)查迄今為止最具約束力的測量結(jié)果。完整的五年數(shù)據(jù)集,統(tǒng)計不確定性將進一步縮小,合作將有更多時間來調(diào)查和解決任何剩余的系統(tǒng)問題。關(guān)鍵問題是,隨著數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高,異?，F(xiàn)象是否會持續(xù)存在、加強或消失。

CMB-S4 取消: 由于南極點的預(yù)算限制和后勤挑戰(zhàn),CMB-S4 項目于 2025 年 7 月 9 日宣布取消,這對下一代宇宙微波背景測量來說是一個重大挫折。這種損失將延遲對導(dǎo)致當(dāng)前緊張的透鏡異常和中微子質(zhì)量約束的獨立驗證。Atacama沙漠的地面CMB實驗將繼續(xù)進行,但CMB-S4承諾的變革性飛躍不會在原計劃的時間線上實現(xiàn)。

十一、賭注

讓我們準確地了解當(dāng)前數(shù)據(jù)所確定的內(nèi)容和未確定的內(nèi)容。

建立什么: DESI DR2 測量是有史以來獲得的最精確的重子聲振蕩數(shù)據(jù)。它們顯示出真正的統(tǒng)計張力,ΛCDM 預(yù)測在 3.1–4.2σ 水平,具體取決于輔助數(shù)據(jù)集。在ΛCDM內(nèi)解釋時,中微子質(zhì)量界限會推入物理上有問題的區(qū)域。這些并不是數(shù)據(jù)質(zhì)量差或明顯分析錯誤的產(chǎn)物。

未建立的內(nèi)容: 這些張力是否反映了新的物理學(xué)、未識別的系統(tǒng)誤差,或者隨著額外數(shù)據(jù)的積累,統(tǒng)計波動將回歸ΛCDM。信號在特定低紅移數(shù)據(jù)點中的濃度、對超新星分析選擇的敏感性以及復(fù)雜性受到懲罰時貝葉斯對ΛCDM的偏好,所有建議都謹慎行事。

什么會是革命性的: 確認檢測到不斷變化的暗能量將改變我們對宇宙的理解。它將證明宇宙能量預(yù)算的主導(dǎo)組成部分不是時空的靜態(tài)屬性,而是一個具有自身演化甚至物理學(xué)的動態(tài)實體。它將引發(fā)全新的問題:暗能量是由什么構(gòu)成的？為什么現(xiàn)在它正在演變？是什么決定了它的狀態(tài)方程？它是否與物理學(xué)中其他未解決的問題有關(guān)—層次問題、量子引力的本質(zhì)、物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性的起源？

我們正在見證科學(xué)方法應(yīng)有的運作。觀察結(jié)果具有挑戰(zhàn)性的理論預(yù)測。多個獨立團隊正在審查數(shù)據(jù)并提出替代方案。社區(qū)既不急于宣布范式轉(zhuǎn)變,也不忽視不方便的結(jié)果。通過緩慢、平淡的證據(jù)和反證據(jù)積累、系統(tǒng)的錯誤檢查和交叉驗證、理論建議和觀察測試,正在取得進展。

宇宙給了我們一個懺悔。它通過我們有史以來建造的最精確的儀器告訴我們,我們所理解的東西是不完整的。這種不完整性是否在于我們的宇宙學(xué)模型、我們的數(shù)據(jù)分析技術(shù)或一些尚未識別的系統(tǒng)錯誤仍有待確定。未來幾年將會證明一切。表 1—負 0.16 電子伏 — 中的不可能數(shù)要么被解釋掉,要么被解釋。任何一個結(jié)果都會增進我們的理解。這就是科學(xué)的運作方式。

但不要誤解賭注。如果 DESI 異常在即將到來的測試中幸存下來—if 歐幾里得證實了重子聲振蕩張力,如果魯賓的超新星表現(xiàn)出相同的低紅移模式,如果 DESI DR3 增強而不是削弱信號—我們將被迫放棄支撐我們理解的宇宙學(xué)常數(shù)宇宙加速度長達四分之一個世紀。我們需要解釋暗能量如何在不破壞宇宙的情況下跨越幻影鴻溝。我們需要了解為什么宇宙密謀向我們最敏感的探測器隱藏中微子質(zhì)量。簡而言之,我們需要新的物理學(xué)。

宇宙正在坦白。我們應(yīng)該仔細聽。

參考文獻和主要來源

DESI DR2 宇宙學(xué): M。阿卜杜勒-卡里姆等人。（DESI 合作）,“DESI DR2 結(jié)果 II:重子聲振蕩和宇宙約束的測量,” arXiv:2503。14738,物理。修訂版 D 112, 083515(2025 年 10 月）。

DESI DR2 中微子約束: W。埃爾伯斯等人。（DESI 協(xié)作）,來自 DESI DR2 BAO 和 DR1 Full Shape 的 “中微子物理約束,” arXiv:2503。14744,Phys。修訂版 D 112, 083513(2025 年 10 月）。

負中微子質(zhì)量分析: N。Craig, D。Green, J。Meyers, S。Rajendran, “No νs is Good News,” arXiv:2405。00836,Journal of High Energy Physics 2024, 97(2024 年 9 月）。DOI:10。1007/JHEP09(2024)097。

超新星系統(tǒng)學(xué): G。Efstathiou,“演化暗能量還是超新星系統(tǒng)學(xué)？” arxiv:2408。07175,mnras 538(2):875–882(2025 年 2 月）。

DES 響應(yīng): M。Vincenzi 等人,“比較 DES-SN5YR 和 Pantheon+ SN 宇宙學(xué)分析,” arXiv:2501。06664,MNRAS 541(3):2585–2593(2025 年 8 月）。

LRG 異常值分析: D。Sapone, S。Nesseris, DESI BAO 中的 “異常值:魯棒性和宇宙學(xué)含義,” arXiv:2412。01740,物理。修訂版 D 112, 063523 (2025)。

貝葉斯分析: DDY Ong, D。Yallup, W。Handley, “關(guān)于演化暗能量證據(jù)的貝葉斯視角,” arXiv:2511。10631(2025 年 11 月）。

引力波約束: 英國石油公司 阿博特等人。（LIGO/Virgo）,“GW170817:從雙中子星 Inspiral 觀測引力波,” Phys。萊特牧師。119, 161101 (2017)。

普朗克宇宙學(xué): 普朗克合作,“普朗克 2018 年結(jié)果。六。宇宙學(xué)參數(shù),” Astron。天體物理學(xué)。641,A6 (2020)。

理論約束: 碩士 Turner, “ΛCDM:前進的道路,” arXiv:2511。01814(2025 年 11 月）。

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