平均值的缺陷

普通物质是否正在导致宇宙加速膨胀?

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宇宙最深刻的特征之一是它的分层性。我们的日常世界几乎不依赖于原子或星系的细节,反之亦然。否则,科学将不可能存在:我们不可能在不了解一切的情况下了解任何事物。然而,有时,现实的层次确实会混淆,产生奇怪的效果。

今年三月,一群宇宙学家——费米国家加速器实验室的爱德华·科尔布以及意大利国家核物理研究所的萨比诺·马塔雷塞、阿莱西奥·诺塔里和安东尼奥·里奥托——认为宇宙加速膨胀,现代科学最大的谜团之一,就是这样一种效果。这可能是迄今为止对加速膨胀最优雅的解释,既不需要奇异的能量形式,也不需要新的物理定律,只需要仔细考虑引力如何将大小差异巨大的结构相互联系起来。或者这可能是一个宇宙冷聚变的案例。

宇宙学家通常假设物质的详细排列在宏大的宇宙计划中不起作用。他们的标准模型将宇宙视为密度在不同地点没有变化,而是具有均匀的平均值,即每立方米一个原子。他们求解这个平均宇宙的膨胀率,并将其等同于实际宇宙的平均膨胀率。各个空间区域的膨胀速度可能更快或更慢,但研究人员认为这些差异是局部的。


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问题在于,平均值可能会具有欺骗性。高尔夫球平均而言是一个完美的球体,但它的飞行方式却不像球体。其表面的凹坑可以将球的飞行距离增加一倍或两倍。引力,就像空气流过凹坑的行为一样,是非线性的,这导致南非开普敦大学的宇宙学家乔治·埃利斯在 20 世纪 80 年代提出,宇宙的精细结构可能会影响其大规模行为。这种现象被称为反作用。类比现象也出现在宇宙学以外的领域。例如,声音通常是分层的:它可以被认为是各种波长的波的总和,每个波长都像其他波不存在一样在房间里传播。然而,当非线性过程运行时,不同的波长可能会相互干扰,甚至改变平均空气密度。

宇宙学家应该做的是追踪物质在其所有不规则性中的引力效应——在求解方程之后而不是之前取平均值——但这要求很高。因此,尽管他们普遍同意反作用的发生,但他们对它的大小存在争议。

科尔布和他的同事声称存在巨大的效应,但这依赖于不仅从小到大,而且从大到更大的联系——基本上,将可观测宇宙的加速膨胀归因于可观测宇宙之外的物质。这按定义听起来是不可能的。遥远的物质可能在很久以前与我们的宇宙有过接触,之后就失去了联系,但普林斯顿大学的克里斯托弗·平田和意大利的里雅斯特国际理论物理中心的乌罗什·塞利亚克等批评家指出,它不可能对我们产生持续的影响而不违反相对论。

科尔布的团队承认犯了错误,并且即将发表一篇新论文,回归到纯粹从小到大的反作用。这种方法可能解释所谓的宇宙巧合:为什么加速膨胀大约在星系生长变得强烈非线性的同时开始。星系密度的急剧增加可能已经逐级传递上去,并导致平均宇宙密度的降低,这将加速膨胀。

但塞利亚克和其他人早期的计算表明,这种效应还不够强,即使是同情这种观点的宇宙学家也认为还有很长的路要走。“在这一点上,这只是关于事物如何运作的一个想法,”牛津大学的西斯基·拉萨宁说。“这是一种激励计算的东西,而不是被计算所支持的东西。”

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