宇宙学模型建立在一个简单的有百年历史的想法之上但新的观察需要彻底的重新思考

我们关于宇宙的想法是基于一个世纪前的简化，即宇宙学原理。它表明，当在大尺度上平均时，宇宙是均匀的，物质均匀分布在整个宇宙中。

这允许对时空进行数学描述，从而简化了爱因斯坦广义相对论对整个宇宙的应用。

我们的宇宙学模型就是基于这个假设。但随着地球和太空中的新型望远镜提供越来越精确的图像，并且天文学家发现了巨大的类星体弧等巨大物体，这一基础越来越受到挑战。

在我们最近发表在《经典与量子引力》上的评论中，我们讨论了这些新发现如何迫使我们从根本上重新审视我们的假设并改变我们对宇宙的理解。

爱因斯坦的遗产

106年前，当阿尔伯特·爱因斯坦首次将引力方程应用于整个宇宙时，他面临着巨大的困境。没有物理学家尝试过如此大胆的事情，但这是他的关键想法的自然结果。正如一本已有50年历史的教科书提醒我们的那样：“物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何移动。”

1917年，数据几乎完全缺乏，而星系是距离很远的物体的观点在天文学家中只占少数。

爱因斯坦接受的传统观点是，整个宇宙看起来就像我们银河系的内部。这表明恒星应该被视为无压流体，随机分布，但具有明确的平均密度——在太空中的任何地方都相同或均匀。

基于宇宙在任何地方都是一样的想法，爱因斯坦引入了他的宇宙常数Λ，现在被称为“暗能量”。

在小尺度上，爱因斯坦方程告诉我们，空间永远不会静止。但大规模地将这种情况强加于宇宙是不自然的。20世纪20年代末，宇宙膨胀的发现让爱因斯坦松了口气。他甚至将Λ描述为他最大的错误。

关于物质的观念已经发展，但几何却没有发展

我们现在拥有关于不断演化的宇宙中恒星和星系的极其详细的物理模型。我们可以追踪“物质”的天体物理学，从原始火球中微小的种子涟漪一直到今天的复杂结构。

我们的望远镜是奇妙的时间机器。他们一路回溯到第一个原子形成、宇宙第一次变得透明的时候。

远处是原始等离子体，像太阳的内部和表面一样不透明。离开宇宙“最后散射表面”的光当时非常热，约为2700℃。

今天我们接收到同样的光，但温度冷却至-270℃，并因宇宙膨胀而稀释。这就是宇宙微波背景，它在各个方向上都非常均匀。

这是强有力的证据，当宇宙是一个火球时，它在空间上非常接近均匀。但今天没有直接证据证明这种一致性。

一个“块状”的宇宙

很久以前，我们的望远镜就揭示了小型合并星系，直到今天，它们一直成长为更大的结构。

宇宙的膨胀已经完全停止在被称为星系团的最大物质浓度范围内。在空间膨胀的地方，星团被拉伸成丝状和片状，穿过并包围着巨大的空洞，它们都随着时间的推移而增长，但以不同的速度增长。物质不是光滑的，而是形成了一个“宇宙网”。

但宇宙在空间上是均匀的这一观点仍然存在。

如果我们所看到的就是全部，那么观察到的宇宙网和空间的平均弯曲几何形状之间就会存在严重的不一致。自1933年首次观测到星系团以来，物质缺失的证据就一直存在。

自1965年以来的十年间，我们对宇宙微波背景辐射及其涟漪的首次观测改变了这一想法。

我们的核物理模型具有出色的预测能力。但只有当星系团中缺失的质量是像中微子这样不能发光的东西时，它们才与观测结果一致。因此，我们发明了冷暗物质，它使星系团内的引力更强。

人们花费了数十亿美元试图直接探测暗物质，但几十年来的此类努力仍未能明确探测到构成当今宇宙所有物质80%和所有能量20%的暗物质。

异常的天空

宇宙微波背景辐射并不完全均匀。其上叠加着波动，其中波动异常之大，呈偶极子形状：覆盖整个天空的阴阳图。

如果我们将宇宙微波背景辐射定义为宇宙的静止框架，我们可以将其解释为相对运动造成的效应。如果我们不这样做，我们就需要对大偶极子进行物理解释。

大部分谜题都可以归结为权力不对称——一个不平衡的宇宙。银河系平面上方和下方半球的温度与预期略有不同。

长期以来，这些异常现象一直被解释为银河系微波发射建模过程中未解释的物理过程的结果。

天空中的物质

宇宙微波背景辐射并不是唯一显示偶极子的全天观测。去年，研究人员利用对136万个遥远类星体和170万个射电源的观测来测试宇宙学原理。他们发现物质的分布也不均匀。

另一个更广泛讨论的谜团是“哈勃张力”。按照惯例，我们假设宇宙当前膨胀率的全天空平均值给出了一个明确定义的值：哈勃常数。但考虑到基于宇宙微波背景辐射的标准膨胀历史，测量值与预期不同。如果我们允许非均匀宇宙论，这个问题可能就会消失。

使用来自各个相对半球的宇宙微波背景数据，标准膨胀历史意味着今天天空每一侧都有不同的哈勃“常数”。

这些谜团因越来越多的意外发现而变得更加复杂：詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了巨大的类星体弧和复杂、明亮且充满元素的早期宇宙。

如果物质比预期更加多样化和有趣，那么几何学也许也是如此。

放弃宇宙学原理的模型确实存在并做出预测。它们的研究比标准宇宙学要少。欧洲航天局的欧几里得卫星将于今年发射。欧几里得会揭示平均空间不是欧几里得空间吗?如果是这样，那么物理学的根本性革命可能即将到来。