在科学领域，最伟大的革命往往是由最小的差异引发的。在16世纪，哥白尼根据许多同时代人认为深奥的天体运动细节，提出地球实际上并非宇宙的中心。在我们自己的时代，另一场革命在11年前随着宇宙加速膨胀的发现而开始展开。爆炸恒星亮度的微小偏差使天文学家得出结论，他们不知道宇宙中70%的物质是什么。他们只能说，空间中充满了与其他任何物质都不同的物质，这种物质推动着宇宙的膨胀，而不是阻止它。这种物质被称为暗能量。
现在已经过去十年多了，暗能量的存在仍然令人困惑，以至于一些宇宙学家正在重新审视导致他们推断出暗能量存在的基本假设。其中之一是早期革命的产物：哥白尼原则，即地球在宇宙中不是中心位置或任何特殊位置。如果我们抛弃这个基本原则，对于可以解释观测结果的因素，就会出现一个令人惊讶的不同画面。
我们大多数人都非常熟悉这样的观点：我们的星球只不过是一个围绕着一颗普通恒星运行的小斑点，位于一个平淡无奇的星系边缘的某个地方。在由数十亿个星系组成的宇宙中，这些星系延伸到我们的宇宙视界，我们被引导相信我们的位置没有什么特别或独特之处。但是，这种宇宙谦逊的证据是什么？我们又如何才能分辨出我们是否处于一个特殊的位置呢？天文学家通常会忽略这些问题，认为我们自身的普通性已经足够明显，不需要进一步讨论。对于许多人来说，认为我们可能实际上在宇宙中有一个特殊位置的想法是不可思议的。然而，这正是世界各地一些小规模的物理学家小组最近一直在考虑的问题。
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具有讽刺意味的是，假设我们自己微不足道，这赋予了宇宙学家巨大的解释力。这使我们能够从我们在自己的宇宙邻域中看到的情况推断到整个宇宙。人们在构建基于宇宙学原理（哥白尼原则的推广，该原理指出，在任何时刻，空间中的所有点和方向看起来都相同）的最新宇宙模型方面做出了巨大努力。结合我们对空间、时间和物质的现代理解，宇宙学原理暗示空间正在膨胀，宇宙正在变得更冷，并且宇宙中充满了来自其炽热开端的遗迹——这些预测都得到了观测的证实。
例如，天文学家发现，来自遥远星系的光比来自附近星系的光更红。这种被称为红移的现象可以很好地解释为空间膨胀对光波的拉伸。此外，微波探测器揭示了来自极早时期的几乎完美光滑的辐射幕帘：宇宙微波背景，这是原始火球的遗迹。可以公平地说，这些成功在一定程度上是我们自身谦逊的结果——我们对自身重要性的假设越少，我们对宇宙的了解就越多。
黑暗逼近 那么，为什么要打破现状呢？如果宇宙学原理如此成功，我们为什么要质疑它呢？问题在于，最近的天文观测产生了一些非常奇怪的结果。在过去的十年中，天文学家发现，对于给定的红移，遥远的超新星爆炸看起来比预期的要暗淡。红移测量的是空间膨胀的程度。通过测量来自遥远超新星的光发生了多少红移，宇宙学家可以推断出宇宙在爆炸发生时比今天的尺寸小多少。红移越大，超新星发生时宇宙就越小，因此宇宙从那时到现在膨胀得越多。
超新星的观测亮度提供了其与我们距离的衡量标准，反过来又揭示了自其发生以来经过了多长时间。如果一颗具有给定红移的超新星看起来比预期的要暗淡，那么这颗超新星一定比天文学家认为的要远。它的光线到达我们这里需要更长的时间，因此宇宙一定需要更长的时间才能增长到目前的尺寸 [要查看相关侧边栏，请购买数字版]。因此，宇宙的膨胀速度一定比之前预期的要慢。事实上，遥远的超新星足够暗淡，以至于宇宙的膨胀一定已经加速，才能赶上目前的膨胀速度[参见“用超新星测量时空”，作者：克雷格·J·霍根、罗伯特·P·基什纳和尼古拉斯·B·桑泽夫；《大众科学》，1999年1月]。
这种加速膨胀是引发当前宇宙学革命的重大惊喜。宇宙中的物质应该拉扯时空结构，减缓膨胀，但超新星数据表明情况并非如此。如果宇宙学家接受宇宙学原理，并假设这种加速发生在任何地方，我们就会得出结论，宇宙一定充满了奇异形式的能量，即暗能量，它施加排斥力。
在物理学家的基本粒子和力的标准模型中，没有出现任何符合暗能量描述的东西。它是一种尚未被直接测量的物质，具有与我们见过的任何物质都不同的性质，并且其能量密度比我们可能天真地预期的要小约 10120 倍。物理学家对它可能是什么有一些想法，但它们仍然是推测性的[参见“典型的宇宙”，作者：耶利米·P·奥斯特里克和保罗·J·斯坦哈特；《大众科学》，2001年1月]。简而言之，我们对暗能量非常茫然。研究人员正在进行一些雄心勃勃且耗资巨大的地面和太空任务，以寻找和表征暗能量，无论它可能是什么。对许多人来说，这是现代宇宙学面临的最大挑战。
更轻的选择 面对如此奇怪和看似如此不可能的事情，一些研究人员正在重新审视导致他们得出结论的推理。他们质疑的主要假设之一是我们是否生活在宇宙的代表性部分。如果我们抛弃宇宙学原理，暗能量的证据是否可以用其他方式来解释？
在传统的图景中，我们谈论的是整个宇宙的膨胀。这很像我们谈论气球膨胀时：我们讨论的是整个气球变得有多大，而不是气球的每个单独部分膨胀了多少。但是我们都有过那些令人讨厌的派对气球膨胀不均匀的经历。一个环迅速伸展，而末端需要一段时间才能赶上。在宇宙的另一种观点中，即抛弃宇宙学原理的观点中，空间也膨胀不均匀。宇宙的图景变得更加复杂。
考虑以下情景，该情景最初由南非开普敦大学的乔治·埃利斯、查尔斯·海拉比和纳齐姆·穆斯塔法提出，随后由法国巴黎-默东天文台的玛丽-诺埃尔·克莱里尔跟进。假设膨胀速度在任何地方都在减速，因为物质拉扯时空并减缓其速度。进一步假设，我们生活在一个巨大的宇宙空洞中——不是完全空旷的区域，而是一个物质的平均密度仅为其他地方密度的一半或可能三分之一的区域。空间区域越空旷，它包含的减缓空间膨胀的物质就越少；因此，空洞内的局部膨胀速度比其他地方快。膨胀速度在空洞的最中心最快，并向边缘减小，在那里，较高密度的外部开始发挥作用。在任何给定时间，空间的不同部分将以不同的速度膨胀，就像不均匀膨胀的派对气球一样。
现在想象一下超新星在这个不均匀的宇宙的不同部分爆炸，一些靠近空洞的中心，另一些靠近边缘，还有一些在空洞之外。如果我们靠近空洞的中心，而超新星更远，那么我们附近的宇宙膨胀速度比超新星位置的宇宙膨胀速度快。当来自超新星的光向我们传播时，它会穿过以越来越快的速度膨胀的区域。每个区域在光线穿过时都会将其拉伸一定量，累积效应会产生我们观察到的红移。在这样一个宇宙中，光线传播给定的距离所发生的红移小于整个宇宙以我们当地的速度膨胀时所发生的红移。相反，为了在这样一个宇宙中实现一定的红移，光线必须传播比在均匀膨胀的宇宙中更远的距离，在这种情况下，超新星必须更远，因此看起来更暗淡。
另一种说法是，膨胀速度随位置的变化模仿了时间的变化。通过这种方式，宇宙学家可以在不求助于暗能量的情况下解释意想不到的超新星观测结果。为了使这种替代解释奏效，我们必须生活在一个真正具有宇宙比例的空洞中。超新星观测延伸到数十亿光年之外，占整个可观测宇宙的很大一部分。一个空洞必须具有相似的大小。以（几乎）任何人的标准来看，都是巨大的。
一个牵强的可能性 那么，这个宇宙空洞有多么古怪呢？乍一看，非常古怪。它似乎与宇宙微波背景相悖，宇宙微波背景的均匀度为十万分之一，更不用说星系的明显均匀分布了[参见“解读创世蓝图”，作者：迈克尔·A·施特劳斯；《大众科学》，2004年2月]。然而，仔细观察，这个证据可能并不那么具有决定性。
遗迹辐射的均匀性仅仅要求宇宙在每个方向上看起来几乎相同。如果一个空洞大致呈球形，并且我们位于离其中心相当近的位置，那么这些观测结果不一定排除它。此外，宇宙微波背景有一些异常特征，这些特征可能可以通过大规模的不均匀性来解释 [要查看相关侧边栏，请购买数字版]。
至于星系分布，现有的巡天调查并没有延伸到足以排除可以模仿暗能量大小的空洞。它们识别出较小的空洞、物质丝状结构和其他数亿光年大小的结构，但假定的空洞要大一个数量级。目前，天文学界正在就星系巡天调查是否证实了宇宙学原理展开激烈的辩论。纽约大学的大卫·霍格及其合作者的最新分析表明，宇宙中最大的结构大约有 2 亿光年大小；在更大的尺度上，物质似乎均匀分布，符合该原理。但罗马恩里科·费米中心的弗朗切斯科·西洛斯·拉比尼及其同事认为，迄今为止发现的最大结构仅受发现它们的星系巡天调查大小的限制。更大的结构可能会超出巡天调查的范围。
打个比方，假设你有一张显示 10 英里宽区域的地图，地图上有一条道路从一侧延伸到另一侧。如果因此得出结论，最长的道路是 10 英里长，那就错了。要确定最长道路的长度，你需要一张清楚显示所有道路端点的地图，这样你才能知道它们的完整长度。同样，天文学家需要一个比宇宙中最大结构更大的星系巡天调查，如果他们要证明宇宙学原理的话。巡天调查是否已经足够大，这是辩论的主题。
对于理论家来说，一个巨大的空洞也难以接受。所有可用的证据都表明，星系和更大的结构（如丝状结构和空洞）是从微观量子种子发展而来的，宇宙膨胀将这些种子扩大到天文比例，宇宙学理论对应该存在多少具有一定尺寸的结构做出了确定的预测。结构越大，它就应该越稀有。大到足以模仿暗能量的空洞的概率小于十万亿分之一。巨型空洞可能确实存在于那里，但我们发现在可观测宇宙中存在一个巨型空洞的机会似乎微乎其微。
不过，还是有一个可能的漏洞。在 20 世纪 90 年代初期，早期宇宙标准模型的作者之一安德烈·林德及其在斯坦福大学的合作者表明，尽管巨型空洞很稀有，但它们早期膨胀得更快，并开始主导宇宙的体积。观测者发现自己处于这种结构中的概率可能并非如此微小。这个结果表明，宇宙学原理（我们不生活在一个特殊的地方）并不总是与平庸原理（我们是典型的观测者）相同。看起来，一个人既可以是典型的，又可以生活在一个特殊的地方。
测试空洞 哪些观测结果可以告诉我们宇宙的膨胀是由暗能量驱动的，还是我们生活在一个特殊的地方，例如位于一个巨型空洞的中心？为了测试是否存在空洞，宇宙学家需要一个关于空间、时间和物质在其附近应该如何表现的工作模型。早在 1933 年，阿贝·乔治·勒梅特就制定了这样一个模型，理查德·托尔曼在一年后独立地重新发现了该模型，赫尔曼·邦迪在二战后进一步发展了该模型。他们设想的宇宙具有不仅取决于时间，而且还取决于与特定点的距离的膨胀速度，正如我们现在假设的那样。
有了勒梅特-托尔曼-邦迪模型，宇宙学家可以对一系列可观测的量进行预测。首先，考虑最初导致推断出暗能量的超新星。天文学家观测到的超新星越多，他们就能越准确地重建宇宙的膨胀历史。严格来说，这些观测结果永远无法排除空洞模型，因为宇宙学家可以通过选择形状合适的空洞来重新创建任何一组超新星数据。然而，为了使空洞与暗能量完全无法区分，它必须具有一些非常奇怪的特性。
原因是假定的加速膨胀一直持续到目前。为了使空洞完全模仿它，膨胀速度必须从我们这里开始并在每个方向上急剧下降。因此，物质和能量的密度必须从我们这里开始并在每个方向上急剧增加。密度剖面必须看起来像一个倒置的女巫帽，其尖端对应于我们居住的地方。这样的剖面将与我们对宇宙中结构外观的所有经验相悖：它们通常是平滑的，而不是尖的。更糟糕的是，当时都在康奈尔大学的阿里·范德维尔德和安娜·弗拉纳根表明，帽子的尖端（我们居住的地方）必须是一个奇点，就像黑洞中心的超高密度区域一样。
然而，如果空洞具有更真实的、平滑的密度剖面，那么就会呈现出独特的观测特征。平滑的空洞仍然会产生可能被误认为是加速的观测结果，但它们缺乏尖锐性意味着它们不能完全重现与暗能量相同的结果。特别是，明显的加速率随红移以一种明显的模式变化。在一篇与当时在牛津大学的凯特·兰德合写的论文中，我们表明，在目前已有的数百颗超新星的基础上，再增加数百颗新的超新星就足以解决这个问题。超新星观测任务很有可能很快实现这个目标。
超新星并非唯一可用的观测对象。普林斯顿大学的杰里米·古德曼在 1995 年提出了另一项可能的测试，即使用微波背景辐射。当时，暗能量的最佳证据尚未出现，古德曼并非在寻求对任何无法解释的现象的解释，而是在寻求哥白尼原则本身的证明。他的想法是利用遥远的星系团作为镜子，从不同的位置观察宇宙，就像一个天上的更衣室。星系团会反射一小部分照射到它们的微波辐射。通过仔细测量这种辐射的光谱，宇宙学家可以推断出如果从其中一个星系团观察宇宙，宇宙会是什么样子的一些方面。如果视点的变化改变了宇宙的外观，那将是空洞或类似结构的有力证据。
最近，两组宇宙学家对这个想法进行了测试。达特茅斯学院的罗伯特·考德威尔和伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的艾伯特·斯特宾斯研究了微波背景中畸变的精确测量结果，马德里自治大学的胡安·加西亚-贝利多和丹麦奥胡斯大学的特罗尔斯·豪格博莱直接观察了单个星系团。两个小组都没有探测到空洞；研究人员所能做的最好的事情是缩小此类空洞可能具有的特性。计划于本月发射的普朗克巡天卫星应该能够对空洞特性施加更强的限制，并可能完全排除空洞。
开普敦大学的布鲁斯·巴塞特、克里斯·克拉克森和特蕾莎·卢提倡的第三种方法是对不同位置的膨胀速度进行独立测量。天文学家通常用红移来测量膨胀速度，红移是天体和我们之间所有空间区域膨胀的累积效应。通过将所有这些区域 lumped 在一起，红移无法区分空间中膨胀速度的变化与时间的变化。最好在特定的空间位置测量膨胀速度，将其他位置的膨胀效应分离出来。但这很困难，而且尚未完成。一种可能性是观察结构在不同位置的形成方式。星系和星系团的形成和演化在很大程度上取决于当地的膨胀速度。通过研究不同位置的这些天体，并考虑在它们演化中起作用的其他效应，天文学家或许能够绘制出膨胀速度的细微差异。
一个并非如此特殊的地方 我们生活在一个巨大的宇宙空洞中间的可能性是对宇宙学原理的极端否定，但也存在更温和的可能性。宇宙可能在大尺度上遵守宇宙学原理，但星系巡天调查发现的较小空洞和丝状结构可能共同模仿暗能量的效果。麦吉尔大学的蒂尔塔比尔·比斯瓦斯和阿莱西奥·诺塔里，以及当时在意大利帕多瓦大学和芝加哥大学的瓦莱里奥·马拉及其合作者，都研究过这个想法。在他们的模型中，宇宙看起来像瑞士奶酪——整体上均匀，但布满了孔洞。因此，膨胀速度因地而异，略有不同。遥远超新星发出的光线在到达我们之前会穿过许多这些小空洞，膨胀速度的变化会调整它们的亮度和红移。然而，到目前为止，这个想法看起来不太有希望。我们中的一位（克利夫顿）最近与牛津大学的约瑟夫·宗茨一起表明，要重现暗能量的效果，需要大量的低密度空洞，并且以特殊的方式分布。
另一种可能性是暗能量是宇宙学家经常使用的数学近似的人工产物。为了计算宇宙膨胀速度，我们通常计算出一个空间区域包含多少物质，除以该区域的体积，然后得出平均能量密度。然后，我们将这个平均密度代入爱因斯坦的引力方程，并确定宇宙的平均膨胀速度。尽管密度因地而异，但我们将这种散射视为围绕总体平均值的微小波动。
问题在于，求解平均物质分布的爱因斯坦方程与求解真实物质分布，然后再对结果几何图形求平均值是不同的。换句话说，我们先求平均值，然后再求解，而实际上我们应该先求解，然后再求平均值。
为任何甚至粗略地近似真实宇宙的事物求解完整的方程组是难以想象的困难，因此我们大多数人求助于更简单的途径。法国里昂大学的托马斯·布歇特已经承担了确定这种近似到底有多好的任务。他在宇宙学方程中引入了一组额外的项，以解释在求解之前求平均值所引入的误差。如果这些项被证明很小，那么近似是好的；如果它们很大，则不好。到目前为止，结果尚无定论。一些研究人员认为，额外的项可能足以完全解释暗能量，而另一些研究人员则声称它们微不足道。
旨在区分暗能量和空洞模型的观测测试即将在不久的将来进行。由巴黎大学的皮埃尔·阿斯蒂耶领导的超新星遗产巡天调查和目前正在开发的联合暗能量任务应该能够精确确定宇宙的膨胀历史。普朗克巡天卫星以及各种地面和气球载仪器将以更高的精度绘制微波背景图。计划于 2020 年建造的平方公里阵列射电望远镜将为我们提供可观测视界内所有星系的巡天调查。这场宇宙学革命始于十年前，而且远未结束。