摘要：现代宇宙学正在经历一场理论革命。昆士兰大学研究团队基于暗能量光谱仪的最新观测数据，开发出一个全新的数学模型，首次准确描述了宇宙真实结构对其演化过程的深刻影响。这项发表在《物理评论快报》上的突破性研究不仅挑战了沿用近一个世纪的简化宇宙模型，更为困扰科学界多年的哈

信息来源：https://www.universetoday.com/articles/revolutionary-model-reveals-how-real-universe-structure-affects-cosmic-evolution

现代宇宙学正在经历一场理论革命。昆士兰大学研究团队基于暗能量光谱仪的最新观测数据，开发出一个全新的数学模型，首次准确描述了宇宙真实结构对其演化过程的深刻影响。这项发表在《物理评论快报》上的突破性研究不仅挑战了沿用近一个世纪的简化宇宙模型，更为困扰科学界多年的哈勃张力和动态暗能量问题提供了优雅的解决方案。

传统宇宙学模型的基本假设是物质在整个空间中均匀分布且相互独立，这种简化处理虽然有助于理解大爆炸和宇宙膨胀的基本机制，但与我们观测到的现实宇宙存在根本性差异。真实的宇宙充满了复杂的层次结构：恒星聚集形成星系，物质在引力作用下坍缩成黑洞，巨大的宇宙空洞在太空中延伸数亿光年，所有这些结构都通过引力和其他基本力相互作用，不断塑造着宇宙的整体演化。

在包含暗能量的冷暗物质模型中，宇宙中星团和大尺度细丝结构的形成。这些图展示了从红移30到现在（左上z=30到右下z=0）4300万秒差距（或1.4亿光年）范围内的结构演变。（图片来源：Andrey Kravtsov）

昆士兰大学的莱昂纳多·贾尼博士领导的研究团队意识到，忽略这些真实结构的复杂性可能是导致当前宇宙学理论困境的根本原因。他们利用暗能量光谱仪能够测量110亿光年范围内宇宙结构的强大能力，创建了一个革命性的理论框架，将宇宙的真实复杂性纳入数学描述之中。

理论突破的核心创新

新模型的关键创新在于首次提供了计算宇宙中大尺度结构如何影响宇宙学测量的数学方法。研究团队确定了两个至关重要的临界参数：空洞对观测结果产生显著影响所需的最小尺寸，以及物质坍缩区域开始影响宇宙学测量所需的临界规模。

这种量化方法的重要性在于，它使科学家能够精确评估宇宙中不同区域的结构特征对整体宇宙行为的贡献。巨大的星系团通过强大的引力场吸引周围物质向内坍缩，而几乎不含物质的巨大空洞则在宇宙膨胀的推动下继续扩张。这两种截然相反的动力学过程相互交织，共同决定了我们在不同区域观测到的宇宙膨胀速率。

基特峰国家天文台尼古拉斯·U·梅耶尔 4 米望远镜圆顶内的 DESI（图片来源：劳伦斯伯克利国家实验室/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA）

当研究团队将这些新参数应用于独立的观测数据集时，发现了一个令人震惊的现象。根据标准的统一宇宙学模型，所有数据点都应该聚集在理论预测图表的特定区域。然而，实际观测数据却系统性地偏离了这一预期位置，而是在一个完全不同的区域形成了清晰的聚集模式。这种偏差明确表明，大尺度空洞结构是造成天文观测中各种异常现象的根本原因。

更为重要的是，新模型的预测与暗能量光谱仪的高精度观测数据高度吻合。这种一致性不仅验证了理论框架的正确性，更证明了宇宙的真实复杂性确实在观测数据中留下了可识别的印记。这代表着宇宙学研究方法的根本转变：从试图将复杂的观测现象强行拟合到过度简化的理论模型，转向发展能够准确描述宇宙真实结构的数学框架。

解决现代宇宙学核心难题

埃德温·哈勃的肖像，哈勃张力以他的名字命名（图片来源：Johan Hagemeyer）

这项理论突破最引人注目的成就是同时解决了现代宇宙学面临的两个最大难题：哈勃张力和动态暗能量问题。哈勃张力指的是用不同方法测量宇宙膨胀速率时得到的结果之间存在显著差异，这一矛盾困扰了宇宙学家近十年时间。

通过分析近距离超新星观测和宇宙微波背景辐射数据，科学家们得到了两个不同的哈勃常数值，其差异远远超出了观测误差范围。这种分歧暗示着我们对宇宙的理解可能存在根本性缺陷，或者需要引入全新的物理学理论来解释这一现象。

贾尼团队的新模型提供了一个更加优雅的解释。他们发现，当正确考虑宇宙中大尺度结构的非均匀性效应后，哈勃张力在某些特定区域会完全消失。这并不需要假设新的物理定律或神秘的宇宙学参数，而是源于我们终于能够准确计算真实宇宙结构对膨胀速率测量的影响。

动态暗能量问题同样得到了新的解释。近年来，一些观测证据似乎表明推动宇宙加速膨胀的暗能量密度可能随时间发生变化，这与广义相对论中宇宙学常数的基本假设相冲突。然而，新模型表明这种表观的暗能量变化可能并非真实的物理现象，而是反映了我们对宇宙真实复杂性理解的改进。

当考虑到空洞和密集区域的不同演化历史时，我们在不同宇宙区域和不同历史时期观测到的有效暗能量密度自然会显示出变化模式。这种变化不是暗能量本身的性质发生了改变,而是不同结构区域中时空几何和物质分布的差异导致的观测效应。

观测验证与未来展望

暗能量光谱仪的高精度观测数据为验证新理论模型提供了前所未有的机会。这台安装在基特峰国家天文台的先进仪器能够同时测量数百万个星系的光谱，构建出迄今最详细的三维宇宙结构图。

研究团队利用这些数据验证了他们模型的核心预测：宇宙的复杂结构确实在大尺度观测中留下了可检测的信号。更重要的是，当应用新的理论框架重新分析现有数据时，许多此前被认为需要新物理学解释的异常现象都找到了自然的解释。

这种理论与观测的高度一致性为未来的宇宙学研究开辟了新的道路。随着韦伯太空望远镜、维拉·鲁宾天文台等下一代观测设备投入使用，科学家们将获得更加丰富和精确的宇宙结构数据。新的理论框架为充分利用这些观测资源提供了强有力的数学工具。

从更广阔的视角来看，这项研究代表了宇宙学研究范式的重要转变。长期以来，宇宙学家习惯于通过不断引入新的假想成分或修改基本物理定律来解释观测中的异常现象。而新模型表明，许多看似神秘的宇宙学问题可能有更加直接的解答：我们需要更加准确地描述我们所居住的这个充满复杂结构的真实宇宙。

这种方法论的转变不仅有助于解决当前的理论困境，更为未来宇宙学的发展指明了方向。通过拥抱宇宙的真实复杂性而非回避它，科学家们可能最终构建出既简洁又准确的宇宙理论，真正揭示宇宙演化的深层规律。

来源：人工智能学家