摘要：如果您曾经对宇宙学有所了解，您就会遇到一个惊人的统计数据：我们周围的所有物质、我们看到和触摸到的一切、每颗恒星、气体云和行星，仅占宇宙能量的 5%。
作者：乔治娜·托贝特
如果您曾经对宇宙学有所了解，您就会遇到一个惊人的统计数据：我们周围的所有物质、我们看到和触摸到的一切、每颗恒星、气体云和行星，仅占宇宙能量的 5%。
在其他所有物质中，约有 25% 由暗物质组成，其余部分（占所有存在物质的 70%）是暗能量。
宇宙学家认为，由于宇宙的膨胀方式，情况必然如此。但这不仅仅是宇宙在膨胀，而是膨胀正在加速，一定有某种力量在驱动着它。我们把这种未知的力量称为暗能量。
但宇宙学研究中有一个小众领域对这种解释提出了质疑。该领域认为，由于我们对引力的理解存在错误，物质似乎膨胀得更快了。此外，该领域还提出，暗能量或许根本不存在。
芝加哥大学广义相对论和宇宙学研究员海莉·麦克弗森(Hayley Macpherson)表示：“我们在宇宙学广义相对论中做出的假设基本上是，宇宙在各个地方和各个方向上几乎都是相同的。”
或者，正如宇宙学家所说，假设宇宙是均匀的和各向同性的。
当我们观察宇宙的早期阶段时，这是有道理的，那时宇宙又小又密，就像一种原始汤。
但随着宇宙的演化和扩张，它变得更像我们今天所看到的样子——有些区域充满了物质，比如恒星和星系，而其他区域则更加空旷。
通过绘制 Abell 1689 星系团中星系对光的扭曲效应，科学家可以推断出该区域暗物质的分布（蓝色区域） - 图片来源：哈勃太空望远镜
那么，这些关于均质性和各向同性的假设仍然成立吗？显然，从字面意义上来说并非如此——宇宙显然看起来不像汤——但这些假设对于宇宙学来说足够好吗？这是影响计算的关键问题。
一些理论家，例如坎特伯雷大学的戴维·威尔特郡教授，认为这些假设完全是错误的，会让我们以错误的方式看待宇宙。
他说，他最初是一名理论物理学家，当他开始研究宇宙学时，他并没有特别想批评标准模型。
他说：“只是，当我越深入研究并开始与真正进行观察的人交谈时，我越意识到我们正在做出极大的简化。”
“在寻找各向同性和同质性的一些平均概念时，我们实际上是在假设答案，而不是试图解释它。”
在他看来，如果你认真对待爱因斯坦的工作，你就需要将膨胀视为依赖于宇宙“团块性”的事物。
引力会减慢时间，因此宇宙中物质较多的区域和物质较少的区域的时间流逝有所不同。宇宙的不同部分会根据其物质的多少而以不同的速度膨胀——也就是说，无论你看到的是一堆星系还是一片虚空。
所以，或许我们根本不需要暗能量的概念。或许宇宙的膨胀只是看起来在加快，因为我们观察的是膨胀速度更快的空洞，而不是膨胀速度更慢的星系区域。
或许这一切都只是引力对时间产生违反直觉的影响的结果。
威尔特郡说：“这实际上是在说，爱因斯坦的理论中存在这种我们以前从未想到过的效应。”
主流宇宙学家不会否认宇宙是不均匀的，或者标准模型中存在简化。
他们主要研究的是广义相对论的一个版本，该版本利用了λ（Lambda）项，也称为宇宙常数，这使得广义相对论方程适用于膨胀的宇宙。总的来说，该模型已经足够完善，足以支撑数十年的卓有成效的研究。
“我们有一种对宇宙的简单描述，即最小的λ冷暗物质模型（lambda CDM）。自从暗能量被发现以来的大约25年里，它在预测大多数观测结果方面做得非常出色，”辛辛那提大学暗能量研究员兼助理教授杰西卡·缪尔（Jessica Muir）说道。“但我们认为这并非宇宙的全部。”
大爆炸后最初时刻，早期宇宙的可视化图像，即夸克胶子汤 - 图片来源：科学图片库
标准宇宙模型中存在许多奇特之处。例如哈勃张力，它指出宇宙膨胀的加速似乎会根据测量方法的不同而以不同的速率发生。
明亮射电源（类星体）的分布似乎与我们设想的宇宙膨胀方式不符。这被称为类星体偶极子异常。
但标准宇宙模型面临的最大问题——至少是大多数人难以理解的问题——或许是我们对构成宇宙大部分的暗物质和暗能量几乎一无所知。
“我们的模型里有些东西说不通，”缪尔说。“我们连宇宙95%的成分是什么都不知道，这让人很不舒服。”
然而，当前模型在某些方面不令人满意并不一定意味着它是错误的。
广义相对论的复杂方程当然已经通过假设得到了简化，以使其可用，但大多数宇宙学家表示，这些假设的任何影响都非常小，以至于它们可能并不重要。
“如果我们说，‘哦，我们错过了这个东西，而且事实证明我们不需要一种具有负压且占宇宙质量和能量 70% 的神秘物质’，那将是非常令人兴奋的，”缪尔说。
但当质疑广义相对论的假设时，“这些假设已经经过了相当严格的检验，以至于我并不特别确信宇宙常数是不需要的，”缪尔说。
那么，为什么不对这个概念进行测试并找出这些关于广义相对论的假设的影响到底有多大呢？
这正是麦克弗森目前正在做的事情，他通过创建基于更复杂的引力描述的宇宙模拟，而没有对广义相对论进行太多的简化。
亚利桑那州梅亚尔望远镜上的暗能量光谱仪测量暗能量对宇宙膨胀的影响 - 图片来源：Desi Collaboration/DOE/KPNO/Noirlab/NSF/AURA
“我的工作重点是将更复杂的引力描述纳入宇宙学建模中，而我们通常不会这样做，”她说。
现在，关于宇宙的数据比以往任何时候都多，而且运行模拟的超级计算机也越来越强大，“我们可以自由地消除其中的一些假设，看看是否可以建立一个更好的模型。”
通常，当宇宙学家发现标准模型存在问题时，他们的第一反应是尝试引入一些东西——一种新的能量、一个新的常数、一种简化——来修复模型。
但麦克弗森的方法有所不同：“在所有宇宙学家的视野中，很少会有人说，‘嘿，我们基于简化的近似值建立了这个模型。也许所有这些奇怪的东西只是这些特定近似值失效的结果。’”
尽管模拟工作仍在进行中，但迄今为止的结果倾向于重力非常小且可以忽略不计的假设的影响。
尽管如此，麦克弗森表示：“与任何科学一样，尤其是在这种数值建模中，这种说法有无数的缺陷。要确定这些假设是否重要，还有很多工作要做。”
即使是那些坚持宇宙学标准模型的人也会欣然承认暗能量是奇怪的。
暗物质本身就够令人费解的了，因为它缺乏与光的相互作用，但我们仍然可以通过它的引力效应探测到它，并且可以认为它在某种程度上与普通物质类似。
暗能量的概念更难理解。最突出的理论认为，它是空间本身的一种属性：空旷的空间存在某种向外推挤的现象。或者，用宇宙学家通常的说法，它具有负压。
但这里有很多问题。
为什么空间具有这种特定的能量密度，而不是其他值？我们如何将其与量子力学联系起来？量子力学预测，真空的能量密度应该比我们实际看到的高出几个数量级。
尽管大多数宇宙学家都认为暗能量是一个有用的术语，用来描述由于宇宙膨胀而必然存在的力量，但这种力量究竟是什么，却很难解释。
有很多理由认为暗能量背后有更深层次的物理原理，”缪尔说。
穆尔所参与研究的暗能量光谱仪和暗能量调查的最新观测结果也支持了长期以来的理论，即暗能量可能会随着时间而发生变化。
欧洲航天局的欧几里得任务将于 2023 年 7 月发射 - 图片来源：SpaceX
这个想法不仅仅是因为随着宇宙膨胀，空旷的空间越来越多，而更大的空间意味着更多的暗能量。而是暗能量本身的密度也在随时间变化。
在这种情况下，暗能量不能仅仅用宇宙常数 Lambda 来表示，因为它不是常数——宇宙中有时它的值较低，而未来也可能出现更高的值。这很难用当前的标准模型来解释。
“宇宙常数很难被轻微改变，因为它背后并没有真正的理论支撑，”欧洲航天局暗能量理论家瓦莱丽亚·佩托里诺博士说道，“它是一个常数，它就在那里，只是手动添加的一点。”
假设暗能量为常数的想法迄今为止对研究很有帮助。但该常数在不同尺度和不同场景下的适用性如何，目前仍存在很大争议。
“问题是，如果规模非常大，会发生什么？”佩托里诺说。“未来或过去会发生什么？一直都是这样吗？会一直这样吗？”
这引出了一个更有趣的概念：暗能量或许并非单一的物质。它可能是一整套以复杂方式共同作用，影响宇宙膨胀的力量。
“我们所知的宇宙，也就是那5%，充满了不同的粒子和不同的力，”佩托里诺说。“所以，想象一下这70%的暗能量。它可能是不同物质的组合。如果这70%只由一种物质构成，我会感到惊讶。”
得益于地面勘测和最近发射的欧几里得太空望远镜，我们比以往任何时候都更接近了解暗能量。
欧几里得任务是迄今为止了解暗物质和暗能量的最雄心勃勃的任务，旨在详细绘制宇宙大尺度结构图。
自138亿年前的大爆炸以来，宇宙一直在膨胀（左图）。暗能量被认为是宇宙膨胀加速的原因。图片来源：科学图片库
“实际上，我们处理这个问题的方式是，我们尝试以越来越高的精度来测试这个最小模型的预测，”缪尔说。
“我们希望，如果你发现最简单的模型预测与观察结果不符的裂缝，这可能是一个线索，告诉你需要超越最简单的描述。”
为了绘制出测试这些模型所需的高精度地图，欧几里得望远镜需要配备极其精确的仪器，例如其 6 亿像素的摄像头。
欧几里得将能够使用两种方法来评估宇宙的膨胀速度：观察超新星爆炸（发出可预测的光模式）和宇宙早期星系分布中剩余的模式，称为重子声振荡。
通过这两种方法，我们希望能够更加确定膨胀率的测量结果。最终数据有望揭示出众多暗能量模型中哪一个模型最为准确。
“欧几里得任务可以检验弗里德曼方程（宇宙学标准模型的基础），也可以检验我的模型。所以，如果我错了，五年后我就退休了。”威尔特郡笑着说道。
无论欧几里得的成果是什么，它们都将彻底改变宇宙学。
“我们不一定认为λ表达式就是全部。因此，我们想寻找一些与λ表达式不同的偏差，以便提供更多信息。”缪尔说道。
例如，对引力更复杂的理解可能会改变我们对暗能量的思考方式。但缪尔也警告说：“非凡的论断需要非凡的证据。”
来源：人工智能学家