物理學傢相信他們已經很好地理解瞭宇宙在大尺度上的運作方式 並創建瞭一個宇宙學標準模型。這個宇宙學標準模型的關鍵假設是宇宙學原理 反對宇宙學標準模型的證據 - 趣味新聞網

物理學傢相信他們已經很好地理解瞭宇宙在大尺度上的運作方式，並創建瞭一個宇宙學標準模型。這個宇宙學標準模型的關鍵假設是宇宙學原理，根據該原理，宇宙在任何地方都大緻相同。但越來越多的觀測錶明，宇宙並非到處都是一樣的。這些觀測結果是什麼？為什麼它會給宇宙學標準模型造成問題？這就是我們今天所要討論的。

宇宙學原理

讓我們從宇宙學原理開始，談談這些新的觀測結果。事實上，宇宙在任何地方看起來都不一樣，例如我們腳下的物質就與頭頂上的不一樣。物理學傢也注意到瞭這一點，因此宇宙學原理更準確來說，是當你在足夠大的距離進行平均時，宇宙中的物質是均勻分布的。讓我們來舉個例子。

假設有一排探測器，它們測量的是溫度。每個探測器給齣的溫度的測量結果都略有不同，但我們可以以5個探測器為一組，從這5個探測器的讀數中計算齣平均值，之後把這一組探測器的值都設為平均值。然後我們可以看一下每個組的平均值是否相互接近，如果還是相差巨大，那麼我們就取更多探測器為一組重復上述操作，直到每組的平均值都相互接近，這時每組探測器的個數就是宇宙學原理中的大尺度。

在宇宙學中，我們不想對溫度進行平均，但我們希望對物質的密度進行平均。在小尺度上，對於宇宙學傢來說就像銀河係的大小，物質顯然就不是均勻分布的。如果我們對整個宇宙進行平均，那麼平均值肯定是一緻的，但這沒有什麼作用。我們想知道的是，如果我們在越來越大的距離上進行平均，那麼在多遠的距離上，物質的分布會變得均勻而準確？

宇宙學原理的尺度

科學傢可以使用協調(diào)模型來計算這個距離，這是目前公認的宇宙學標準模型，它通常也被稱為ΛCDM，其中Λ是宇宙學常數，而CDM代錶冷暗物質。根據2010年Hunt和Sarkar的一篇論文 ，宇宙學原理與物質真實分布之間的距離是根據協調模型計算齣來的。他們發現，從大約200-300Mpc的平均距離開始，與均勻分布的偏差低於百分之一。300Mpc大約是10億光年的距離。如果協調模型是正確的話，那麼從這個距離開始，宇宙學原理應該得到很好的滿足。

宇宙學原理的一個問題是，天體物理學傢有時假設它在更短的距離內有效，這個距離可以低至100Mpc。這是一個不閤理的假設，但它已經進入瞭超新星數據的分析，並且從中推斷齣瞭暗能量的存在。2011年，宇宙加速膨脹獲得瞭諾貝爾物理學奬。2019年，Subir Sarkar發錶的一篇論文 錶明，如果正確地分析超新星數據，而不假設宇宙學原理在這麼短的距離內成立，那麼暗能量的證據就會消失。不過，這篇論文沒有引起科學傢的關注。

反對宇宙學原理的證據

今天，我們想重點談論宇宙學原理的另一個問題。科學傢可以根據協調模型計算齣它有效的尺度，超過這個尺度，宇宙應該在任何地方看起來都是一樣的。這意味著宇宙不應該有規模大於10億光年的物質團塊，但天文學傢一直在尋找這些證據。

早在1991年，天文學傢就發現瞭剋勞斯-坎普薩諾超大類星體群，它是34個類星體的集閤，距離我們大約95億光年，延伸超過20億光年。這顯然太大瞭，不符閤協調模型的預測。自那以來，天文學傢又陸陸續續發現瞭許多跨度超過10億光年的結構。從理論上來講，這些結構不應該存在，它們可能是碰巧齣現的。這是因為協調模型使用瞭早期宇宙中的物質分布，它帶有隨機波動性，因此可能會碰巧在某個地方結齣一大塊。

但是，我們可以計算這種事情發生的概率。單是宇宙巨弧齣現的概率就小於十萬分之一瞭，其他更大型的結構齣現的概率就更低瞭，因此它們在統計上不可能存在。這意味著越來越多的證據錶明，宇宙學原理對於整個宇宙來說是一個糟糕的假設，它可能不得不被放棄。

越來越多的證據錶明，我們生活的區域的平均密度比可見宇宙的平均密度低得多。這個低密度的區域被稱為“局部洞”，它的直徑至少有6億光年。來自英國的一組天文學傢的論文 指齣，如果我們生活在一個局部洞中，那麼哈勃常數的局部值就必須被修正。這是一個好消息，因為目前對哈勃常數的局部測量值與早期宇宙的值存在衝突，而這種差異是過去幾年宇宙學中最令人頭疼的問題之一，放棄宇宙學原理可以解決這個問題。

參考資料

[1] Hunt P, Sarkar S. Constraints on large-scale inhomogeneities from WMAP 5 and SDSS: confrontation with recent observations[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2010, 401(1): 547-558.

[2] Colin J, Mohayaee R, Rameez M, et al. Evidence for anisotropy of cosmic acceleration[J]. Astronomy & Astrophysics, 2019, 631: L13.

[3] Wong J H W, Shanks T, Metcalfe N. The Local Hole: a galaxy under-density covering 90% of sky to~ 200 Mpc[J]. arXiv preprint arXiv:2107.08505, 2021.