暗物质与暗能量或存在物理关联
沈泽君（Ada Zejun Shen）/Quanta Magazine
引言
对于那些将世界视为一片黑暗的人来说，宇宙似乎几乎无法提供慰藉。根据目前的估计，构成宇宙的物质中约70%是暗能量（dark energy），这是一种推动空间膨胀的未知力量。另外约25%是暗物质（dark matter），这是一种将星系维系在一起的奇特物质。
但从语义上讲，暗能量和暗物质与其说是“黑暗”，不如说是不可见。它们不发射、不反射也不吸收光线，并且迄今为止已被证实无法被直接观测到。
通常，暗能量和暗物质被视为独立的实体，它们的主要联系在于其难以捉摸的特性。但近期的天文观测促使科学家们进一步审视一个不那么流行的观点——即两者在物理上其实是相互交织的。
2024年，被称为DESI（暗能量光谱仪，Dark Energy Spectroscopic Instrument）的研究团队发现证据表明，暗能量的强度，有时被称为“宇宙学常数”，已经失去了其假定的恒定性。一项基于超过两倍数据量的2025年研究也得出结论，暗能量正在随时间变化。
这些结果表明，在大约20亿年前达到最大值后，暗能量可能已经开始减弱。但结果也表明，在更早的时代，暗能量可能变得更加强大，这似乎违反了能量守恒定律。
研究人员将此描述为暗能量进入了“幽灵态”（phantom regime）。他们将其比作一个球滚上山坡。这当然是可能的，但前提是球受到了重力以外的某种力量的影响。
暗能量光谱仪团队制作的三维地图切片显示了连接成链的星系，构成了我们宇宙的结构。
克莱尔·拉曼（Claire Lamman）/DESI合作组；cmastro定制色图包
越来越多的理论研究者正在探究一种可能性：影响暗能量的正是它与暗物质的联系。
尽管科学家们曾假设暗能量和暗物质“彼此毫无关系”，但加州大学欧文分校的粒子物理学家蒂姆·泰特表示，“你可以想象一种情况，其中一个影响另一个。如果[它们]是一种统一的暗宇宙理论的体现，那也不会令人惊讶。”
暗相互作用
暗能量与暗物质相互作用的观点并非新鲜事。例如，宾夕法尼亚大学的物理学家贾斯汀·库里曾在2005年研究过这个可能性。
库里解释说，在那项研究中，他和两位合著者提出了一个假想问题：是否存在一种暗能量形式，其能量密度随时间增加？他和合作者发现，如果暗能量和暗物质能够相互影响，它们就能产生看似（但并非）幽灵态的行为。“这是实现这一点的最自然、最简单的方式，”库里说。
二十年后，DESI的发现表明暗能量实际上可能随时间变化。这一结果促使库里和他在宾夕法尼亚大学的两位同事林孟祥（Meng-Xiang Lin）和马克·特罗登（Mark Trodden）基于粒子物理学的基石理论之一——量子色动力学（quantum chromodynamics）在暗物质区间的类比，构建了一个暗相互作用模型。在这个新模型中，暗能量的能量密度和暗物质的质量同步变化。
另一项近期研究也设想了类似情况。根据这个于一月份发表在《物理评论D》（Physical Review D）期刊上的模型，暗物质可能在宇宙历史的早期阶段将其一小部分能量转移给了暗能量。“暗物质是[宇宙]膨胀的主要制动器，”该研究的作者之一、法国蒙彼利埃大学的宇宙学家埃尔莎·特谢拉（Elsa Teixeira）说，因此松开这个刹车会导致宇宙膨胀加速。
法国蒙彼利埃大学的宇宙学家埃尔莎·特谢拉研究了一个暗能量与暗物质相互作用的宇宙学模型。
图片由埃尔莎·特谢拉提供
法国国家科学研究中心（CNRS）的物理学家大卫·安德里奥（David Andriot）表示，幽灵态行为的出现基本上是“记账”的结果。“暗物质质量的任何变化或演化都被归入了暗能量的‘盒子’里，”安德里奥说，他于2025年5月提出了自己的耦合暗能量-暗物质模型。
哈佛大学的物理学家库姆伦·瓦法表示赞同。“那种可以独立于暗物质来计算暗能量的观念是错误的，”他说，“这个假设常常被宇宙学家们使用，也被DESI团队所遵循，导致了物理上不可接受的幽灵态行为。”
DESI的发现并非考虑暗能量与暗物质关联的唯一原因。特谢拉及其同事近期的研究表明，允许两者相互作用至少在某些情况下可以缓解宇宙学中最持久的问题之一：哈勃张力（Hubble tension）。
问题核心在于当前宇宙的膨胀速率，即哈勃常数（Hubble constant）。通过利用早期宇宙的光（它能展现宇宙最初是如何成长的）可以测量其数值。也可以利用更近期的现象来测量，例如被称为超新星的爆炸恒星，它们揭示了宇宙现在的膨胀方式。
研究像这样的超新星发出的光——即哈勃太空望远镜图像右下角的闪光——可以告诉我们宇宙的膨胀速率。
美国宇航局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、A. Goobar（斯德哥尔摩大学）及哈勃遗产团队（STScI_AURA）
根据标准宇宙学模型，无论你如何测量，这个膨胀速率应该是一样的。但近年来，科学家发现早期宇宙的膨胀速率与较近时期宇宙的膨胀速率相差约9%。
这种差异或张力，“在宇宙学界引发了激烈辩论，争论这种差异是否源于系统误差，或是新物理学的信号，”特谢拉和她的合著者写道。他们的模型假定，在一个暗能量和暗物质相互作用的宇宙中，那种看似因不同膨胀速率引发的危机，反而变成了一种可以预期的现象。
一个暗维度
如果暗能量和暗物质确实相互作用，这可能意味着它们有一个共同的起源，库里说。
弦理论（string theory）——认为我们的宇宙在最微小、最基本的层面上是由振动的弦构成的——正在进行的工作暗示了这些概念可能相互联系的一种方式。2019年，基于弦理论中暗能量自然变化的观点，瓦法和两位合作者得出结论，暗物质粒子的质量也可能随时间变化。这促使他们在2022年提出，暗物质和暗能量可能通过所谓的暗维度联系在一起。
弦理论假定，除了我们熟悉的三维空间和一维时间之外，还存在六七个额外维度。所有这些维度都被认为小到了物理上可能的极限——接近普朗克尺度（10⁻³⁵米）——但研究者提出，暗维度可能比其他维度大得多——大约在一微米（10⁻⁶米）的量级。
传递引力的理论粒子——引力子（gravitons）——可能会泄漏到这个放大的暗维度中。如果它们这样做，就会获得质量，成为所谓的暗引力子（dark gravitons）。这些有质量的引力子会驻留在暗维度中，但它们的引力效应可以在其他维度中被感受到，从而使它们能够承担通常被归因于暗物质的作用。
在这种情景下，“暗能量和暗物质之间存在非常自然的耦合，”芝加哥大学的物理学家乔治·奥比德说。暗维度大小的变化会影响暗能量和暗物质。
在一篇2025年7月的论文中，奥比德和瓦法，以及普林斯顿大学的阿莱克·贝德罗亚（Alek Bedroya）和哈佛大学的吴大卫（David Wu）发现，2019年提出的情景与DESI数据一致。他们的模型预测，暗能量的强度和暗物质的质量会随时间减弱，并且暗能量变化的速率与其能量密度成正比。由于天体物理测量告诉我们暗能量的能量密度异常地小，“它不会变化得很快，”瓦法说。
“我们直到现在才看到它，这并不奇怪，”他说，因为变化速率如此微小。“我们必须等待整个宇宙年龄才能探测到那么小的变化。”
如果暗物质与暗能量耦合，暗物质粒子可以通过一种独立于引力的、新的长程力相互作用。好消息是，奥比德说，“可能存在天体物理学的方法来检验这一点。”
巧合的是，两位物理学家——现任职于约翰·霍普金斯大学的马克·卡米翁科夫斯基（Marc Kamionkowski）和现任职于德克萨斯大学达拉斯分校的迈克尔·凯斯登（Michael Kesden）——已经研究过这样一种检验方法。在一篇发表于2006年的论文中，他们设想了一系列事件：两个星系彼此靠近，其中一个星系的引力拉扯另一个星系。如果暗物质对其它暗物质的引力吸引强于对普通物质的引力，那么其中一个星系的后方就会形成一种特殊的“潮汐尾”（tidal tail）——即恒星、气体和尘埃的延伸流。
凯斯登和卡米翁科夫斯基寻找了这种效应，但没有找到，这使他们能够为这种额外吸引力的可能强度设定一个上限。该上限大约是瓦法团队提出的数值的20倍，因此预测值远在观测上限之内。“有趣的是，我们现在正发现那个相当抽象的研究与观测和实验工作之间的联系，”卡米翁科夫斯基说。
基于弦理论计算得出的预测与天体物理证据大致吻合这一事实，并不能证实这些“弦式”模型的有效性。但弦理论与实验之间的任何对应关系都让瓦法感到欣慰，他过去四十年一直致力于将这个理论从纯粹的概念领域推向能够产生可检验预测的境地。
奥比德是瓦法以前的一名博士生，他也被同样的目标所驱动。理解暗能量和暗物质以及它们可能共享的关系是一个艰巨的问题，他说。“我认为从不同角度来探讨这个问题是非常有益的”——无论是从观测宇宙学、粒子物理学，还是从弦理论出发。
“这就是人们应该做科学的方式，”奥比德说。“我的意思是，理论物理学家的职责就是探索一切可能，把所有可能性都摆在桌面上。最终，数据将帮助我们做出决定。”
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