宇宙学模型是建立在简单的、一个世纪前的

　　宇宙学模型是建立在简单的、一个世纪前的想法上的，但是新的观察要求彻底的重新思考。信贷:Fosalba & Gazta aga 2021，MNRAS，CC BY-SA

　　据《对话》（大卫·威尔特希尔、伊恩·科尔加、珍妮·瓦格纳和沙欣·谢赫·贾巴里）：我们对宇宙的想法是基于一个世纪前的简化，即宇宙学原理。这表明，当在大尺度上平均时，宇宙是均匀的，物质均匀地分布在各处。

　　这使得时空的数学描述简化了爱因斯坦广义相对论对整个宇宙的应用。

　　我们的宇宙学模型就是基于这个假设。但是，随着地球和太空中的新望远镜提供越来越精确的图像，以及天文学家发现大质量物体，如类星体的巨大弧形，这一基础越来越受到挑战。

　　在我们最近发表在经典和量子引力上的评论中，我们讨论了这些新发现如何迫使我们从根本上重新审视我们的假设，并改变我们对宇宙的理解。

　　爱因斯坦的遗产

　　106年前，当阿尔伯特·爱因斯坦第一次将他的引力方程应用到整个宇宙时，他面临着巨大的困境。没有物理学家尝试过如此大胆的东西，但这是他的关键思想的自然结果。正如一本50年前的教科书提醒我们的那样:“物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何移动。”

　　在1917年，数据几乎完全缺乏，星系是远距离物体的想法在天文学家中是少数人的观点。

　　爱因斯坦接受的传统观点是，整个宇宙看起来就像我们银河系的内部。这表明恒星应该被视为无压流体，随机分布，但具有明确的平均密度——在空间的任何地方都是相同或均匀的。

　　基于宇宙在任何地方都一样的想法，爱因斯坦引入了他的宇宙常数λ，现在被称为“暗能量”

　　在小尺度上，爱因斯坦的方程告诉我们，空间永远不会静止不动。但是在宇宙中大规模地强加这个是不自然的。因此，爱因斯坦在20世纪20年代末因宇宙膨胀的发现而松了一口气。他甚至形容λ是他最大的失策。

　　关于物质的观念已经进化，但几何学没有

　　我们现在已经有了嵌入在不断演化的宇宙中的恒星和星系的惊人的详细物理模型。我们可以从原始火球中微小的种子波纹一直追溯到今天复杂的结构。

　　我们的望远镜是奇妙的时间机器。他们一直追溯到第一个原子形成的时候，宇宙第一次变得透明。

　　更远处是原始等离子体，像太阳的内部和表面一样不透明。离开宇宙“最后散射表面”的光当时非常热，大约2700摄氏度。

　　我们今天接收到同样的光，但冷却到零下270℃，并被宇宙的膨胀稀释。这是宇宙微波背景，它在各个方向都非常均匀。

　　这是一个强有力的证据，证明当宇宙是一个火球时，它在空间上非常接近均匀。但是今天没有直接证据证明这种一致性。

　　“起伏不定”的宇宙

　　追溯到很久以前，我们的望远镜揭示了小的合并星系，成长为越来越大的结构，直到今天。

　　在被称为星系团的最大物质密度范围内，宇宙的膨胀已经完全停止。在空间扩张的地方，星系团被拉长成细丝和薄片，缠绕在巨大的空洞周围，它们都随着时间增长，但速度不同。物质不是平滑的，而是形成了一张“宇宙网”。

　　但是宇宙在空间上是均匀的这一观点仍然存在。

　　如果我们所看到的只是宇宙的全部，那么在观测到的宇宙网和空间的平均弯曲几何图形之间将会有严重的不一致。自从1933年首次观测到星系团以来，失踪物质的证据就一直存在。

　　从1965年开始的十年中，我们对宇宙微波背景辐射及其波动的首次观测改变了这一想法。

　　我们的核物理模型具有惊人的预测能力。但是，只有当星系团中缺失的质量是像中微子一样不能发光的东西时，它们才与观测结果一致。因此，我们发明了冷暗物质，这使得星系团内的引力更强。

　　人们已经花费了数十亿美元试图直接探测暗物质，但几十年来的这种努力并没有最终探测到构成当今宇宙中80%的物质和20%的能量的物质。

　　反常的天空

　　宇宙微波背景辐射不是完全均匀的。叠加在它上面的是波动，其中一个波动异常大，具有偶极的形状:覆盖整个天空的阴阳图。

　　如果我们把宇宙微波背景辐射定义为宇宙的静止框架，我们可以把这解释为相对运动的影响。如果我们不这样做，我们将需要一个大偶极子的物理解释。

　　这个谜题很大程度上可以归结为权力不对称——一个不平衡的宇宙。银河系平面上方和下方半球的温度与预期略有不同。

　　长期以来，这些异常现象被解释为模拟银河系微波辐射时未解释的物理过程的结果。

　　天空中的物质

　　宇宙微波背景辐射并不是唯一显示偶极的全天观测。去年，研究人员利用对136万个遥远类星体和170万个射电源的观察来测试宇宙学原理。他们发现物质也是不均匀分布的。

　　另一个被广泛讨论的谜团是“哈勃张力”传统上，我们假设宇宙目前的全天空平均膨胀率有一个明确的数值:哈伯常数。但是，根据宇宙微波背景辐射的标准膨胀历史，测得的值与预期不同。如果我们考虑到非均匀宇宙学，这个问题可能会消失。

　　使用来自各个对立半球的宇宙微波背景数据，标准的膨胀历史暗示了今天天空两侧不同的哈勃“常数”。

　　越来越多的意外发现加剧了这些困惑:詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了一个巨大的类星体弧和一个复杂、明亮、充满元素的早期宇宙。

　　如果物质比预期的更加多样和有趣，那么也许几何学也是如此。

　　抛弃宇宙学原理的模型确实存在并做出预测。它们只是比标准宇宙学研究得少。欧洲航天局的欧几里德卫星将于今年发射。欧几里德会不会揭示平均空间不是欧几里德的？如果是这样，那么物理学的一场根本性革命可能即将到来。