愛因斯坦的引力理論面臨重大挑戰：暗能量、暗物質和哈勃張力

宇宙中的引力是如何運行的 這是一個看似簡單 卻又極其複雜的問題 宇宙中的一切都有引力 也都受到引力的影響 然而 這種最常見的基本力 也是給物理學家帶來最大挑戰的力 愛因斯坦的廣義相對論 在描述恆星和行星的引力方面非常成功 但它似乎並不適用於所有的尺度 廣義相對論是一種描述引力 它在1915年由愛因斯坦提出 是現代物理學的基石之一 愛因斯坦的廣義相對論 經過了多年的觀測測試 從1919年愛丁頓測量太陽對星光的偏轉 到最近探測到的引力波 這些觀測結果 都證實了廣義相對論的正確性和精確性 使其成爲了解宇宙奧祕的強有力的工具 然而當我們試圖將它應用於極小的距離 極量子力學運行的範圍 或者當我們試圖描述整個宇宙時 我們對它的理解就會出現缺口 新研究現在已經在最大的尺度上 測試了愛因斯坦的理論 我們相信我們的方法有朝一日 可能會幫助解決一些宇宙學中最大的謎團 並且結果暗示了 在這個尺度上 這個尺度指的是宇宙整體 或者說宏觀層面上的尺度 也就是涉及到數十億光年 甚至更大範圍內的物理現象 在這個尺度上 我們需要考慮宇宙如何從大爆炸開始演化 到現在這個樣子 以及未來會如何變化 模型有問題嗎? 量子理論預測空間 真空充滿了能量 我們沒有注意到它的存在 因爲我們的設備只能測量能量的變化 而不是總量 然而 根據愛因斯坦 真空能量具有排斥性的引力 它使空間分開 有趣的是 在1998年 人們發現了宇宙膨脹 實際上是在加速 然而 爲了解釋加速度所必須的真空能量 或暗能量的數量 比量子理論預測的要小很多個數量級 這意味着量子理論對真空能量的估計 要比實際觀測到的值 高出約120個數量級 這是一個巨大的差距 也是物理學中最令人困惑的問題之一 因此 一個被稱爲 舊宇宙常數問題的大問題是 真空能量是否真的產生引力 產生重力 並改變宇宙的膨脹 如果是這樣 那麼 爲什麼它的重力比預測的要弱得多? 如果真空根本沒有重力 那麼是什麼導致了宇宙加速? 這就引出了另一個被稱爲 新宇宙常數問題的問題 即我們需要引入一個新的物理量 來描述宇宙加速膨脹的原因 這個物理量 通常被稱爲暗能量 暗能量是一種看不見 摸不着 但卻佔據了宇宙大部分能量密度的神祕物質 它具有反重力的性質 使得宇宙中的空間不斷地擴張 我們不知道暗能量是什麼 但我們需要假設它存在 才能解釋宇宙的膨脹 同樣的 我們也需要假設有一種看不見的物質存在 被稱爲暗物質 來解釋銀河系和星團是如何演化成 今天我們觀察到的樣子 暗物質是另一種神祕的物質 它與光或其他電磁輻射幾乎沒有相互作用 所以我們無法直接觀測到它 但是我們可以通過它對周圍物質產生的引力效應 來推斷它的存在和分佈 暗物質在宇宙中佔據了大部分的物質密度 它爲銀河系和星團提供了足夠的引力結合力 防止了它們因爲膨脹而分散 這些假設被烘培在科學家們的標準宇宙學理論中 稱爲LAMBDA冷暗物質模型 表明宇宙中有70%的暗能量 25%的暗物質和5%的普通物質 這個模型在你和過去20年來 由宇宙學家收集到的所有數據方面非常成功 這些數據包括了對大爆炸留下的餘暉 也就是宇宙微波背景輻射 以及對遙遠星系和超新星等天體的觀測 LCDM模型可以很好地解釋這些數據 並且預測了一些新的現象 引力透鏡是指當光線從一個遙遠的天體發出時 沿途遇到一個強大的引力圓光線會被彎曲和放大 從而使我們看到天體的形狀和位置發生變化 聲波振盪是指在大爆炸之後不久 當原子核和電子還沒有結合成原子時 由於光子和重子之間的壓力和引力作用 產生了一系列類似於聲波的密度波 在空間中形成了特定的模式 這些模式可以在今天的微波背景輻射中觀測到 並且提供了關於早期宇宙結構和演化的重要信息 但是事實上 大部分宇宙都是由暗示力和物質組成 並且取得了不合理的值 這促使許多物理學家懷疑愛因斯坦的引力理論 是否需要修改才能描述整個宇宙 LCD-M模型雖然成功地描述了許多觀測結果 但是也存在着一些問題和侷限性 首先 LCD-M模型並沒有從基本原理出發 來解釋暗能量和暗物質是什麼 而只是將它們作爲參數來擬合數據 其次 LCD-M模型也不能解釋一些新的觀測現象 比如暗流和暗輻射 暗流是指一些星系團 似乎受到一個未知的引力源的牽引 而不是隨機的運動 暗輻射是指一些未知的粒子或場 它們可以與光子相互作用 從而影響微波背景輻射的性質 幾年前出現了一個新轉折點 當人們意識到用不同方法測量宇宙膨脹率 被稱爲哈勃常數 會得到不同的答案 這是一個被稱爲哈勃張力的問題 不一致 或者說張力 是指兩個哈勃常數的值之間的差異 一個是由LCD-M宇宙學模型預測的數字 這個模型是爲了匹配從大爆炸流下的光而發展起來的 另一個是通過觀測遙遠星系中爆炸的恆星 被稱爲超新星來測量的膨脹率 這兩個值之間的差異達到了4.4倍標準差 這意味着 如果LCD-M模型是正確的 那麼這種差異出現的概率只有0.00006% 這就表明 LCD-M模型可能存在着某種系統性的錯誤 或者遺漏了某種重要的物理效應 爲了修改LCD-M來解釋哈勃張力 已經提出了許多理論思想 其中有一些是替代引力理論 廣義相對論 彎曲光和物質運行的路徑 重要的是 它預測光線和物質的軌跡 應該以相同的方式被引力彎曲 這個預測被稱爲弱等效原理 它是廣義相對論中最基本的假設之一 如果物理學家能夠在觀測中發現 光線和物質受到不同程度的引力彎曲 那麼就意味着 一群物理學家將廣義相對論的基本定律 進行了測試 還探討了修改愛因斯坦的理論 是否能幫助解決一些宇宙學中的開放問題 比如哈勃張力 爲了找出廣義相對論 在大尺度上是否正確 物理學家首次同時調查了它的三個方面 這些是宇宙的膨脹 引力 對光的影響 和引力 對物質的影響 使用一種稱爲貝葉斯推理的統計方法 物理學家根據這三個參數 在計算機模型中重建了宇宙歷史中的引力 物理學家可以使用 Planck衛星的宇宙微波背景數據 超新星目錄 以及SDSS和得望遠鏡 對遙遠星系的形狀和分佈的觀測 來估計參數 然後將重建結果 貝葉斯推理是一種基於概率的推理方法 它可以利用已有的數據和鮮豔知識 來更新對未知參數或假設的信念 物理學家發現了一個有趣的暗示 可能與愛因斯坦的預測不匹配 儘管統計意義不高 這意味着仍然有一種可能性 集引力在大尺度上運行方式不同 廣義相對論 具體來說 我們發現在我們的重建結果中 光線和物質受到的引力彎曲程度 有輕微的差異 這與弱等效原理相違背 這種差異在3.5倍標準差的水平上顯著 也就是說 如果廣義相對論是正確的 那麼這種差異出現的概率只有0.05% 雖然這個結果還不足以完全否定廣義相對論 但是它提供了一個有趣的線索 可能指向一種新的引力理論 研究還發現 僅僅通過改變引力理論 很難解決哈勃-張力問題 完整的解決方案 可能需要在宇宙模型中加入一個新成分 在質子和電子第一次結合 形成氫之後不久就存在 比如一種特殊形式的暗物質 早期類型的暗能量 或原始磁場 或者 也許有一個未知的系統誤差存在於數據中