宇宙学迎来关键转折，新物理或将现身

在过去的几年里，一系列的争议动摇了成熟的宇宙学领域。简而言之，宇宙标准模型的预测似乎和一些近期的观测结果相冲突。

对于这些观测结果是否存在偏差，以及预测整个宇宙结构和演化的宇宙学模型是否需要重新思考，存在着激烈的争论。有些人甚至声称宇宙学正处于危机之中。目前，我们不知道哪一方会获胜。但令人兴奋的是，我们即将找出答案。

公平地说，争议只是科学方法的正常过程。多年来，标准宇宙学模型也有其自身的争议。该模型指出，宇宙由 68.3%的“暗能量”（一种致使宇宙膨胀加速的未知物质）、26.8%的暗物质（一种未知形态的物质）和 4.9%的普通原子构成，这是通过宇宙微波背景——大爆炸辐射的余晖——极其精确地测量得出的。

它极为成功地解释了大量的数据，涵盖了宇宙的大尺度和小尺度。例如，它可以解释我们周围星系的分布以及宇宙最初几分钟内产生的氦和氘的数量。也许最重要的是，它还可以完美地解释宇宙微波背景。

这让它获得了“一致性模型”的称号。但是，一系列不一致测量的完美风暴——或者在宇宙学中被称为“张力”——现在正在质疑这个长期存在的模型的有效性。

标准模型对暗能量和暗物质的性质做出了特定的假设。但是，尽管经过了几十年的密集观测，我们似乎仍然没有更接近于弄清楚暗物质和暗能量是由什么组成的。

所谓的哈勃张力就是试金石。这与哈勃常数有关，哈勃常数是当前宇宙的膨胀速率。当在我们附近的局部宇宙中，从到附近星系中称为造父变星的脉动恒星的距离测量时，其值为 73 千米/秒/百万秒差距（Mpc 是星系间距离的测量单位）。然而，理论预测的值为 67.4 千米/秒/百万秒差距。差异可能不大（仅 8%），但在统计学上是显著的。

哈勃张力大约在十年前被人们知晓。当时，人们认为这些观测可能存在偏差。例如，造父变星虽然非常明亮且易于观测，但是它们与其他恒星挤在一起，这可能会让它们看起来更加明亮。与模型预测相比，这可能会让哈勃常数高出几个百分点，从而人为地造成了张力。

随着能够单独分辨恒星的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的出现，人们曾希望能找到有关这个张力的答案。

令人沮丧的是，这事儿还没发生。天文学家现在除了造父变星，还使用另外两种类型的恒星，分别称为红巨星分支尖端恒星（TRGB）和 J 区渐近巨星分支（JAGB）恒星。但是，虽然一组报告称 JAGB 和 TRGB 恒星的值非常接近宇宙学模型预期的值，但另一组声称他们在观测中仍然看到不一致。同时，造父变星的测量结果仍然显示出哈勃张力。

需要注意的是，尽管这些测量非常精确，但它们仍可能受到与每种测量类型独特相关的某些影响而产生偏差。这将以不同的方式影响每种类型恒星观测的准确性。精确但不准确的测量，就好比试图跟总是抓不住重点的人交谈。为了解决冲突数据之间的分歧，我们需要既精确又准确的测量。

好消息是，哈勃张力如今是一个发展迅速的故事。也许我们在明年左右就能找到答案。提高数据的准确性，比如纳入来自更遥远星系的恒星，将有助于解决这个问题。同样，对被称为引力波的时空涟漪的测量也将能够帮助我们确定常数。

这可能都证明了标准模型是对的。或者它可能暗示其中缺了某些东西。也许暗物质的性质或者引力在特定尺度上的行为方式跟我们现在所认为的不一样。但在否定这个模型之前，人们不得不惊叹于它无与伦比的精度。它在推断超过 130 亿年的演化时，最多也就偏差了几个百分点。

客观来说，即使是太阳系中行星的有规律的运动，也只能可靠地计算出 不到 10 亿年的情况，之后就变得不可预测了。标准宇宙学模型是一个非凡的模型。

哈勃张力并不是宇宙学面临的唯一难题。另一个被称为“S8 张力”的问题 也在造成困扰，尽管程度不同。在这里，该模型存在一个平滑度问题，它预测宇宙中的物质应该比我们实际观察到的更聚集在一起——大约高出 10%。有多种方法可以测量物质的“聚集度”，例如通过分析星系光线中的扭曲，这是由假定的沿视线介入的暗物质造成的。

目前，在学界似乎有一个共识，即在排除宇宙学模型之前，必须梳理清楚观测中的不确定性。缓解这种张力的一种可能方法是更好地理解星系中气态风的作用，它可以排出一些物质，使其更加平滑。

了解小尺度上的聚集度测量与大尺度上的测量如何关联将有帮助。观测结果也可能表明，我们需要改变对暗物质的建模方式。例如，如果暗物质不是像标准模型所假设的那样完全由冷的、缓慢移动的粒子组成，而是可以与一些 热的、快速移动的粒子混合。这可能会减缓宇宙晚期聚集度的增长，从而缓解 S8 张力。

JWST 已经突显了标准模型面临的其他挑战。其中之一是早期星系 似乎比预期的质量大得多。一些星系的质量可能与今天的银河系相当，尽管它们是在大爆炸后不到 10 亿年形成的，这表明它们的质量应该更小。

然而，对宇宙学模型产生的影响不太明确，因为对于这些令人惊讶的结果可能有其他可能的解释。解决这个问题的关键是改进星系中恒星质量的测量。因为无法直接测量，我们从星系发出的光来推断这些质量。

这一步包含了一些简化的假设，这可能会致使质量被高估。

那么，我们现在处于什么状况呢？虽然一些紧张状况或许很快能通过更多、更优的观测得以解释，但目前尚不明确是否能够化解所有困扰宇宙学模型的难题。

不过，有关如何修复这个模型的理论构想并不稀缺——或许太多了，多达几百个，并且还在增多。

可能性很多。也许我们需要改变对暗能量性质的假设。也许它是一个随时间变化的参数，最近的一些测量已经表明了这一点。或者也许我们需要在模型中添加更多的暗能量，以在早期或相反在晚期促进宇宙的膨胀。修改宇宙大尺度上的引力行为（与称为修正牛顿动力学或 MOND 的模型中的做法不同）也可能是一种选择。

然而，到目前为止，这些替代方案中没有一个能够解释标准模型所能解释的大量观测结果。更令人忧心的是，其中一些或许能有助于缓解一种紧张状况，却会让其他紧张状况变得更糟。

如今，各种甚至挑战宇宙学最基本准则的想法都有了契机。例如，我们可能需要放弃宇宙在“非常大的尺度上是均匀和各向同性的”这一假设，这意味着对所有观察者来说，它在各个方向看起来都一样，并表明宇宙中没有特殊点。其他人则提议对广义相对论进行修改。

有些人甚至构想了一个爱捉弄人的宇宙，它 与我们一起参与观测行为，或者其外观会根据我们是否观察它而改变——我们知道这种情况在原子和粒子的量子世界中会发生。

随着时间的推移，这些想法中的很多可能会被归入理论家的奇思妙想之列。但与此同时，它们为测试“新物理学”提供了肥沃的土壤。

这是件好事。这些紧张关系的答案无疑将来自更多的数据。在接下来的几年中，JWST、暗能量光谱仪（DESI）、维拉·鲁宾天文台以及欧几里得等众多实验所形成的强大观测合力，将助力我们找到长期以来苦苦追寻的答案。

一方面，更精确的数据和对测量中系统不确定性的更好理解，可能会让我们回到标准模型令人安心的舒适区。从过去的困境中走出来，这个模型不仅可能被证明是正确的，而且可能会得到加强，宇宙学将成为一门既精确又准确的科学。

但倘若平衡朝另一个方向倾斜，我们就会被带入未知的领域，在那里必须去探索新的物理学。这可能会导致宇宙学的重大范式转变，类似于 20 世纪 90 年代末发现宇宙的加速膨胀。但在这条道路上，我们可能必须一劳永逸地考虑暗能量和暗物质的本质，这是宇宙中两个尚未解决的大谜团。