回到 20 世纪 90 年代中期，宇宙学家——研究宇宙的起源、组成和结构的科学家——开始担心他们正面临一场危机。首先，两位天文学家观察到，宇宙中一大片区域，大约有十亿光年宽，正朝着与宇宙整体膨胀不一致的方向移动。更糟糕的是，天体物理学家使用当时相对较新的哈勃太空望远镜测定，宇宙的年龄在 80 亿到 120 亿年之间。问题是：即使是这个范围的上限也无法解释已知年龄接近 140 亿年的恒星，这导致了一个荒谬的推论，即恒星在宇宙存在之前就存在了。“如果你问我，” 天体物理学家迈克尔·特纳当时告诉时代杂志，“要么我们即将取得突破，要么我们就黔驴技穷了。”但第一个观测结果从未得到证实。几年后，随着神秘且仍然未知的暗能量被发现，为宇宙膨胀提供了动力，使其看起来比实际年龄年轻，无法解释的古老恒星得到了解释。
然而，现在宇宙学家正面临一个全新的问题——或者更确切地说，是几个问题。哈勃常数（以 20 世纪 20 年代发现宇宙膨胀的埃德温·哈勃的名字命名，也像望远镜一样以他的名字命名）是显示宇宙膨胀速度的数字；在过去的几十年里，它的测量精度越来越高。然而，仍然存在一些不确定性，因为两种独立的计算方法得出了不同的答案，从而引发了所谓的“哈勃张力”。虽然这些数字并没有显着差异，但它们之间的不一致足以让理论家们担忧。“在粒子物理学中，” 加州大学圣巴巴拉分校卡弗里理论物理研究所的戴维·格罗斯在 2019 年的一次会议上说，“我们不会称之为张力或问题，而是危机。”
另一个问题是，早期宇宙中物质聚集成团的趋势与今天物质聚集成团的方式不一致。被称为sigma-eight，或 S8 张力，它就像“哈勃张力的弟弟或妹妹……所以[它]不那么重要，但值得关注，”空间望远镜科学研究所的亚当·里斯说，他因共同发现暗能量而分享了 2011 年诺贝尔物理学奖。
支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
这两个问题都可能表明科学家们对物理学的某些重大问题存在误解，而最近发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文增加了人们对情况可能如此的怀疑——至少对于 S8 张力而言。在所谓的宇宙学标准模型中，宇宙开始时几乎但并非完全均匀致密。我们知道这一点，因为我们能看到的最古老的光，被称为宇宙微波背景辐射，显示出从天空中的一个点到另一个点只有微小的温度变化，这反映了宇宙中能量和物质密度的变化。随着宇宙的膨胀，引力，正如爱因斯坦广义相对论所描述的那样，放大了这些变化，形成了我们今天看到的巨大变化，即星系团和超星系团的形式。然而，这个过程在某种程度上受到了暗能量的抑制——暗能量是一种仍然神秘的力量，它导致宇宙的膨胀加速而不是减速——它在密度变化变得更大之前将物质推开。
在新论文中，科学家们认为，这种对星团形成的抑制作用太大，无法用标准模型来解释。达特茅斯学院的宇宙学家罗伯特·考德威尔说，不仅如此，他没有参与这项新研究，“似乎导致加速的任何因素发生的时间都与对团块性的影响不同步，”他解释道。也就是说，对宇宙所谓的大尺度结构——星系、星系团和其他受引力束缚的宇宙结构的网络——生长的抑制作用开始的时间晚于你期望从仅靠暗能量看到的时间。作者认为，这一观察结果表明，可能存在某种不同于广义相对论的引力理论在起作用。“这是一个发人深省的分析，”法国拉格朗日研究所的本杰明·万德尔特说，他也没有参与这项研究。“如果属实，那将令人兴奋——但改变广义相对论的代价很高。”
那么这是真的吗？到目前为止的答案是，没有人确切知道。“这是一篇有趣的论文，”俄亥俄州立大学天文学系主任戴维·温伯格说，他没有参与这项研究，“但我不会说它本身有多重要。”然而，这项调查确实“符合一系列更大的论文，这些论文可能正在发现现代宇宙中物质聚集成团的程度与我们根据在宇宙微波背景辐射中观察到的情况预测的程度之间存在差异，”他说。这些差异非常小，以至于理论家们担心它们可能根本不重要，只是它们都倾向于指向同一个方向，即现代密度变化低于你根据标准模型所期望的水平。
“如果它们是真的，”温伯格说，“那么其影响将非常深远，因为你可能必须修改宇宙学尺度上的引力理论才能解释它。”他补充说，“这并不容易做到。”（需要明确的是，这种改变将不同于“修正牛顿动力学”，或 MOND，一种为解释暗物质而提出的修正引力理论。同样，对于天体物理学家来说，接受修改广义相对论的想法也很困难。）
在这种情况下可能不同的是，作者——密歇根大学的 Nhat-Minh Nguyen、Dragan Huterer 和 Yuewei Wen——并非旨在解决 S8 张力问题。他们感兴趣的是宇宙膨胀的历史是否与结构生长的历史一致。“我们期望，”论文的主要作者阮说，“事实上，它们会是一致的。”当研究人员发现情况并非如此时，他补充说，他们回去重新检查了他们的分析，以确保他们没有遗漏任何东西。“但我们发现我们没有，”阮说。事实证明，这种不一致可能可以通过某种额外的力来解释，这种力叠加在引力和暗能量之上——这种力会增加暗能量抑制结构形成的趋势。或者，考德威尔说，这可能表明暗能量本身在某个时候变得更强了。“这就是这篇论文让我兴奋的地方，”他补充道。
不过，考德威尔并不认为这篇论文是决定性的。普林斯顿大学的物理学家乔·邓克利也同意，她也没有参与这项工作。“这很有趣，”她说，“但对我来说，现在说这表明标准宇宙学模型存在重大问题还为时过早。”包括普林斯顿大学前天体物理学系主任、现任 西蒙斯基金会主席 大卫·斯珀格尔在内的一些科学家认为，这种论点不是很令人信服。“[作者]忽略了最近的测量结果，这些结果与标准理论一致，”没有参与这项研究的斯珀格尔说。“正如这篇论文所论证的那样，对[附近距离]的大尺度结构的分析可能低估了星系风在将气体从星系中吹出方面的重要作用。我不确定我会发表这篇论文。”
关于斯珀格尔的第一点，阮同意他和他的同事需要做更多的研究。“我们正在研究来自新的、据推测是独立的相同可观测物实验的更多数据集，”他说。但阮还指出，在斯珀格尔引用的“最近的测量结果”中，后者的团队实际上引用了阮和他的同事的最新工作，以及将广义相对论调整为解决 S8 张力的可能方案的想法。阮认为，“学界对于[风]在调和 S8 方面所起的作用仍然存在分歧。”
简而言之，包括阮和他的合著者在内的所有人都同意，他们的结果不是决定性的。“进行这些练习是有用的，”德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的尼科·哈马斯说。“这正是你如何在模型中找到漏洞的方式，如果我们真的可以证实这些东西，那真的意味着有些我们不理解的事情正在发生。”但即使最终得到明确的证实，哈勃张力仍然存在，几乎所有人都认为这个问题更严重。
“张力”甚至不是唯一让宇宙学家夜不能寐的事情。在最近发表在《纽约时报》上题为“我们宇宙的故事可能开始瓦解”的专栏文章中，罗切斯特大学的天体物理学家亚当·弗兰克和达特茅斯学院的马塞洛·格莱泽引用了宇宙学面临的最棘手的问题。他们主要关注哈勃张力（但有趣的是，不包括 S8 张力），并指出詹姆斯·韦伯太空望远镜惊人地发现了在宇宙大爆炸后不久形成的巨大星系。“我们可能正处于一个需要彻底背离标准模型的时刻，”他们写道，“这个模型甚至可能要求我们改变我们对宇宙基本组成部分的看法，甚至可能是对空间和时间的本质的看法。”
换句话说，敬请期待。