宇宙正以超理论预期速度膨胀—物理学家将寻找全新观点来解释这一误差现象

物理学家无法仅仅靠改变晚期宇宙的膨胀比例来解释哈勃张力—这类解决方法实际上都不足。

使用詹姆斯韦伯太空望远镜捕获到远空的星系群（图源：美国航天局、欧空局、加拿大航天局、太空望远镜研究所）

这一文章首发在“解释型新闻网”上。随后这一发布上传到了太空网站的专家之声：专栏和见解。

瑞恩·凯雷是美熹德加州大学物理系的一名博士后学者。

天文学家早已发现宇宙正保持膨胀状态。使用天文仪器观察远空的星系时他们发现，这些星系正在逐步远离地球。

天文学家认为，星系发出的光的波长越长，星系远离我们的速度越快。星系越远，它从光谱中的红色侧转化为波长的光就更多——即“红移”越多。

光速无限且迅疾，却非无上限的疾速。看见一些遥远的东西意味着我们正注视着它们过去的样子。远方高红移的星系实际是宇宙初期阶段的星系。因此“高红移”与早期宇宙有关，而“低红移”则与晚期宇宙相关联。

但当天文学家们在研究这些距离时，他们发现宇宙不仅仅是在“膨胀”——膨胀的速度也同时在增加。且速度甚至远高于先进理论所预期，令我在内的宇宙学家们感到意外的同时也期待着它新的膨胀。

暗能量与宇宙学常数

科学家们称这种加速的来源为暗能量。我们还未查明是什么在驱动暗能量或者说暗能量是靠什么在运作，但我们构想这些能通过宇宙学常数这一有助于宇宙膨胀的时空特性来加以解释。

阿尔伯特·爱因斯坦最先提出这个常数——他在他的广义相对论中用第十一个希腊字母来标记了它。通过宇宙学常数看出，随着宇宙的膨胀，宇宙学常数的能量密度保持不变。

请想象一个装满粒子的盒子，如果这个盒子的容量增加，粒子的密度将随着扩散而降低，以填补盒子中的所有空间。现在来想象一个相同的盒子，但在容量增加的时候粒子的密度保持不变。

这听上去并不直观，对吧？宇宙学常数的能量密度不会随着宇宙的膨胀而降低，这当然很奇怪，但这种特性有助于对宇宙加速的原因解释说明。

宇宙学的标准模型

迄今为止，主流理论，或者说宇宙学的标准模型叫做“Lambda CDM”。Lambda表示描述暗能量的宇宙学常数，CDM代表冷暗物质。这一模型同时描述了处于晚期阶段宇宙的加速以及初期阶段宇宙的膨胀率。

具体来说，Lambda CDM解释了宇宙微波背景的观察数据，即宇宙大爆炸约三十万年后处于“炙热，致密状态”时微博辐射的余晖。观察数据使用普朗克卫星来测量宇宙微波背景，科学家得才能得以创建Lambda CDM模型。

将Lambda CDM模型运用到宇宙微波背景中后，物理学家可以预测哈勃常数的值，一个实际不是常数，而是描述宇宙当前膨胀率的数据。

Lambda CDM模型并非完美。科学家测量到星系的距离后计算出的膨胀率和Lambda CDM通过宇宙微波背景的观察数据来描述的膨胀率并不相同。天文学家称这种不同为哈勃张力。

宇宙膨胀的速度远远超过宇宙学主流模型的预测。（图源：美国航天局）

哈勃张力

在过去的几年里，我一直在寻找解释哈勃张力的途径。这一张力或许在说明Lambda CDM模型是不完整的，物理学家们仍然需要修改他们的模型，或者它说明研究者们是时候提出宇宙如何运作的新观点了。新的观点对物理学家来说往往具有极大吸引力。

解释哈勃张力的方法之一是，通过在晚期阶段宇宙中低红移水平下改变膨胀率来修改Lambda CDM模型。像这样来改变模型可以帮助物理学家推测什么种类的物理现象可能导致哈勃张力的出现。

除此之外，暗能量或许并非宇宙常数，而是代替了重力在新方式下运行的结果。如果实际情况是这样，暗能量会在宇宙膨胀的同时进化——而展示出的宇宙看上去就像诞生不久的宇宙微波背景，将提出对哈勃张力的全新推测。

但是，我的团队最新的研究发现物理学家没法仅凭改变晚期宇宙中膨胀率来解释哈勃张力——这整类方案都无法达到要求。

开发新模型

为找到什么类型的方法能解释哈勃张力，我们开发了统计工具来测试改变宇宙晚期膨胀率整个模型类别的可能性。这些统计工具十分灵活，我们用它们来匹配或模仿可能符合宇宙膨胀率的观察数据的不同模型，并且可能为我们提供哈勃张力的解决方案。

我们测试的模型包括进化中的暗能量模型，这之中暗物质在不同的时间会有不同的反应。我们还测试了暗能量-暗物质相互作用模型，并修正了引力模型，其中引力在不同时间的宇宙中作用也不尽相同。

但这些都不能完整地解释哈勃张力。这些结果表明物理学家们需要加强对宇宙早期的研究以查明张力的来源。

BY:Ryan Keeley

FY:老羊

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