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- 笔墨版 -
现代宇宙学可能被颠覆？暗能量模型或将被取代？不久前，一篇发表在《皇家天文学会月刊》上的文章引起了科学界的关注。研究人员对大量Ia型超新星进行分析后得出了个惊人的结论：宇宙的“加速膨胀”可能只是我们校定时间和距离的方式造成的错觉，暗能量或许根本不存在！
要说这样的观点并不新鲜，别说科学家了，就我这评论区里都经常能看到。这论文能颠末同行评议发表出来，想必一定有什么过人之处，那今天我们就来看看它是如何挑战如今的宇宙学尺度模型的。要理解这场纷争，我们得先认识下这两位“主角”：一个是“被挑战方”——ΛCDM模型（Lambda Cold Dark Matter），另一个是这次的“挑战者”——时间景观模型（Timescape）。为了让大家更好地了解事情的来龙去脉，我们还是从“被挑战方”说起。
一只气球上的蚂蚁发现身边的东西都在远离自己，而且离自己越远的东西它远离自己的速度越快。作为智慧的人类我们很容易想到，这肯定是有人在吹气球嘛。气球越吹越大，带来的效果就是气球上的任意两点都在相互远离。没错，这便是天文学家在近百年里观测到的真实宇宙图景：我们的地球及所在的银河系就是那只蚂蚁，那些远离我们的东西就是其他星系群的星系，而我们所在的宇宙就是那个不断膨胀的气球。1929年，埃德温·哈勃通过观测发现星系的退行速度（远离我们的速度）和它们与地球的距离成正比，这一关系就是著名的“哈勃定律（Hubble's law）”。由于乔治·勒梅特早在两年前就在理论上计算出了该效果，所以后来人们也把该定律称为“哈勃–勒梅特定律（Hubble-Lematre law）”。自从该定律被现实观测证明后，消息立马震惊了包括爱因斯坦在内的整个科学界——我们的宇宙真的不是稳态的，它竟然在膨胀！既然它在变大，那说明很久很久以前它应该有个出发点（奇点），该发现也促使了“宇宙大爆炸”理论的诞生。自打“宇宙膨胀”被发现后科学家就开始琢么：“先不说我是怎么来的，我就想知道我是怎么没的。”宇宙未来的命运会是啥样？是一直这么膨胀下去，还是说膨胀只是由于刚开始“爆”的那一下，之后在万有引力的作用下，宇宙胀着胀着就没劲了，末了还是会逐步再缩回成一个点？就在科学界还在为这个问题争论不休时，时间来到了20世纪末。1998年，这次天文学家带来个更加炸裂的消息：通过对Ia型超新星的观测他们发现，这些被作为尺度烛光的超新星的亮度比理论预期的要暗一些，这意味着它们与我们的距离比匀速膨胀模型猜测的要远一些。根据哈勃定律，更远的距离意味着宇宙先前膨胀得较慢，但后来变快了，不然这些天体不可能达到如今这个位置。这一切都指向了一个结论：我们的宇宙不但仅是在膨胀，而且是在加速膨胀！好嘛，膨胀的事还没搞清楚，如今又来个加速膨胀。咋加的速？能量哪来的？既然我们在明，它在暗，那我们就叫它“暗能量”吧。为了解释这个暗能量，科学家们可是想尽了各种方法，甚至不惜修改引力理论。没错，和不引入暗物质的MOND理论雷同，科学家也尝试不引入暗能量，而是直接拿引力理论开刀。但是这样一来动静可就大了，可不是修修补补的事。为了修复一个bug就要重构整个框架，先不说这么做会带来多少新bug，“新代码”能不能把老功能覆盖完都还难说呢。所以，为了不对广义相对论进行大改，那么最简单、最直接的办法就是——打补丁。欸，先不管它是什么，在原方程中添加一项，让方程尽可能贴近真实情况再说。这个被添加回爱因斯坦场方程中的项就是“宇宙学常数（cosmological constant）”项，记作“Λ”。
为什么要说“添加回”呢？由于当初为了让自己的方程能够描述一个稳态的宇宙，爱因斯坦曾专门加入过一个Λ项，但后来当他看到宇宙真的在膨胀后就又把这一项给去掉了。可谁知几十年后，这一宇宙学常数项又歪打正着被重新加了回来。当然，如今的Λ和当年的Λ已经截然差别，两者有着差别的数值和物理含义。之前的Λ项没有具体的物理含义，纯粹就是为满足静态宇宙的假设而主观引入的修正项；而如今的Λ项是基于各种观测数据（如超新星、宇宙微波背景辐射）得出的客观效果，它代表的就是推动宇宙加速膨胀的暗能量。（* Λ项是关于暗能量的其中一种解释。）基于这个包含了Λ的爱因斯坦场方程，科学家们建立了ΛCDM模型，也就是包含了暗能量的冷暗物质模型，如今的它已经成为了教科书级别的宇宙学尺度模型。
在尺度模型中，我们的宇宙就像一块均匀膨胀的葡萄干面包，星系就是面包里的葡萄干，暗能量是让面包加速膨胀的“酵母”。虽然我们从来没见过这个“酵母”，但是很多观测证据却能证明它的存在，好比宇宙微波背景辐射（CMB）。科学家发现，宇宙中星系的分布与CMB的温度在大尺度上存在显著的正相关，该现象被称为“积分萨克斯–沃尔夫效应 （the integrated Sachs-Wolfe，ISW）”，它是暗能量存在的有力证据。为什么呢？打个比方：还是把宇宙想象成一个膨胀的气球，暗能量是不断往气球里吹气的外力。那这个效应表现出来就是气球表面的花纹（也就是星系）与气球内部的温度（也就是CMB）它们之间存在明显的关系——膨胀越快，花纹与温度变化的关联越明显。通过测量“花纹”与“温度”的这种关系，就可以间接证明“有人在吹气球”。总之，“被挑战方”尺度模型可谓身经百战，想挑战它并不容易。那“挑战方”时间景观模型说了些什么呢？先前，尺度模型认为宇宙像个均匀膨胀的面包，然而时间景观模型认为，宇宙更像是块奶酪，除了星系构成的“奶酪壁”外，它里面还充满了大量的空洞（Void）。这些空洞个头巨大，直径可以达到几亿光年。好比银河系所在的本星系群，它就位于本地空洞（Local Void）的边缘；牧夫座空洞（Botes Void）则更为著名，直径大约2.5亿光年；而一些特别巨大的超级空洞，直径甚至可以超过10亿光年。
虽然这些空洞中不是完全没有星系，但是位于这里的星系数量极为稀少，所以从大尺度上来看，空洞地区的引力场相对较弱。这样一来，当我们在“奶酪壁”中观测宇宙时，会误以为整个宇宙在加速膨胀，实则只是巨大空洞拉扯导致的视觉偏差。要说清楚这个问题，就要提到广义相对论的钟慢效应。简单来说，物质和能量会让时空弯曲，时空弯曲得越锋利，时间流逝的速度也就越慢。也就是说，引力场越强的地方，时间过得越慢。好比黑洞附近，那里的时间相对外界要慢得多，当你接近变乱视界时，你的时间也将接近静止。电影《星际穿越》里库珀从黑洞附近的米勒星球回来后，发现所有人都变老了，这里的设定就是广义相对论的钟慢效应。而且这个效应并非只是理论猜测，现实上它已经得到了大量的实验验证，就连生活中的手机导航都离不开它。把尺度扩大到宇宙范围也是一样，由于宇宙空洞引力微弱，所以空洞中的时间应该比星系中的时间过得更慢。根据研究人员计算，如果在空洞中放一块表，那么它将比我们的表快上38%。这种时间上的差异会导致宇宙空洞有更多的时间膨胀，因此它会给人一种宇宙在加速膨胀的错觉。如果现实真是这样的话，那宇宙的膨胀就不再是均匀膨胀，而是有的地方快，有的地方慢。从暗能量的角度来说就是：暗能量密度会随空间和时间变化，它不再是尺度模型中的固定值。还记得客岁（2024年）暗能量光谱仪（DESI）团队发布了第一期最新的高精度观测数据，他们就发现暗能量好像正在减弱，不是以往认为的那样固定不变。而且这也在一定程度上解释了“哈勃冲突”的问题，就是哈勃望远镜（包括JWST）测出来的哈勃常数和普朗克卫星通过CMB测出来的效果总是存在偏差。为了验证这个想法，研究人员对整个超新星数据库（Pantheon+）中一千多颗Ia型超新星进行了光变曲线分析（SALT2算法）。效果非常amazing啊，在低红移范围内，时间景观模型的表现显著优于包含暗能量的尺度模型。
研究人员制作了这张对比图，横轴是红移值（也就是距离），纵轴代表模型的契合度，上半部分（正值）是时间景观模型，下半部分（负值）是尺度模型。可以看出，在越近的距离上时间景观模型表现得越好；随着距离的增加，两种模型逐渐半斤八两，表现各有优劣；但是当距离继续增加时，时间景观模型好像又占据了上风。难道说，暗能量真的不存在？尺度模型真的要被时间景观模型取代了吗？怎么可能！尺度模型之所以称为“尺度模型”，那可不是一挥而就的。细心朋友可能已经发现，这张图的红移值只到0.1，也就是距离最多只到十几亿光年，而可观测宇宙的半径有465亿光年。那研究人员为啥不把计算范围扩大点呢？说实话，不是他们不想，而是“臣妾真的做不到啊”。由于超新星这种测距方式，最远也就测个几十亿光年，而且距离越远数据越稀少。另外，时间景观模型本身是基于星系团、空洞这些宇宙大尺度结构的，但在高红移处，由于那里的光线过来需要时间，所以我们看到的景象还处于宇宙的早期阶段，很多大尺度结构尚未完全形成，因此当距离过远时就不再适用于目前的时间景观模型。所以呢，要想覆盖到更大尺度，只依赖超新星的数据显然是不够的，必须得结合宇宙微波背景辐射（CMB）、重子声学振荡（BAO）等多方面数据。因此，研究人员也是寄希望于下一代巡天任务，好比刚投入使用的欧几里得望远镜（Euclid）以及未来的罗曼空间望远镜（Roman），它们将帮助我们获得更高红移（z>1）的超新星以及重子声学振荡的相关数据。总的来说：对于宇宙如何膨胀这个问题，在“小尺度”上，时间景观模型表现得确实要好那么一点，但在更大尺度上它就不行了，而尺度模型呢，依旧能打。这就像班里测验的第一名，虽然不一定每科都是最高分，但他的综合得分一定是最高的。不外“偏科”也能带来惊喜，好比说宇宙的均匀性，它是在大尺度上才能表现出来的特性，在我们附近，由于星系团和空洞的存在，局部的宇宙并不均匀，这项研究将不均匀到均匀的这个界限外推了将近一倍。
其实认为宇宙并非均匀的宇宙学模型不但是时间景观模型，科学家早就想到过各种雷同的宇宙学模型，只是那些“挑战者”总是存在或多或少的缺陷，以至于至今没有一个能撼动尺度模型的地位。时间景观模型也是一样，现阶段的它依然无法全面取代暗能量假说。不外，它也展现出了非均匀宇宙学作为新范式的潜力，这在一定程度上促使我们重新审视暗能量假说。[1] Antonia Seifert, Zachary G Lane, Marco Galoppo, Ryan Ridden-Harper, David L Wiltshire. Supernovae evidence for foundational change to cosmological models. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters. 537(1) 55–L60. (2025).
[2] Zachary G Lane, Antonia Seifert, Ryan Ridden-Harper, David L Wiltshire. Cosmological foundations revisited with Pantheon+. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 536(2):1752–1777. (2025).
[3] R. Scranton, A. J. Connolly. et al. Physical Evidence for Dark Energy. arXiv preprint arXiv: astro-ph/0307335. (2003)
[4] R Camilleri, T M Davis. et al. The dark energy survey supernova program: investigating beyond-ΛCDM, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 533(3):2615–2639. (2024)
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来源：https://view.inews.qq.com/k/20250304A07M2800
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