鉴于宇宙大得不可思议，我们尚未破解其全部秘密或许是可以理解的。但实际上有一些非常基本的特征，我们过去认为我们可以解释的，宇宙学家却越来越难以理解。

宇宙比标准宇宙学模型所暗示的要平滑得多

最近对宇宙中物质分布(所谓的大尺度结构)的测量似乎与宇宙学标准模型(我们对宇宙运作方式的最佳理解)的预测相冲突。

标准模型起源于大约25年前，并已成功再现了大量的观测结果。但一些最新的大尺度结构测量(我所研究的主题)表明，物质的聚集程度低于标准模型所认为的程度(更平滑)。

这一结果让宇宙学家们绞尽脑汁寻找解释。有些解决方案相对平凡，比如测量中未知的系统误差。但也存在更激进的解决方案。这些包括重新思考暗能量(导致宇宙膨胀加速的力量)的性质，引入一种新的自然力，甚至在最大尺度上调整爱因斯坦的引力理论。

目前，数据还不能轻易区分不同的相互竞争的观点。但即将进行的调查的测量结果将在精度上取得巨大飞跃。我们可能即将最终打破宇宙学的标准模型。

早期宇宙

要了解当前紧张局势的性质及其可能的解决方案，重要的是要了解宇宙结构是如何形成并随后演变的。我们的大部分理解都来自对宇宙微波背景(CMB)的测量。CMB是充满宇宙的辐射，是宇宙大爆炸后最初几十万年宇宙演化的遗留物(相比之下，宇宙的年龄估计为137亿年)。

科学家于1964年偶然发现了宇宙微波背景(并因此获得了诺贝尔奖)，但人们早在多年前就预测到了它的存在和特性。

与一些早期理论研究结果高度一致，如今观测到的CMB温度低至令人难以置信的3开尔文(-270°C)。然而，在极早期，它的温度足够高(数百万度)，足以使宇宙中的所有轻元素(包括氦和锂)聚变成更重的元素。

CMB的光谱(按波长分解的光)表明它过去一定与物质处于热平衡状态——这意味着它们具有相同的能量分布。物质和辐射只有在非常密集的环境中才能达到热平衡。因此，对CMB的测量令人信服地证明了宇宙曾经是一个极其炎热和密集的地方，所有物质和辐射都挤在一个非常小的空间里。

随着宇宙的膨胀，它迅速冷却。与此同时，当时存在的一些自由电子被质子捕获，形成氢原子。这个“重组时代”发生在大爆炸后约30万年。在此之后，宇宙的密度突然降低，因此CMB辐射被“释放”以不受阻碍地传播，自那以后它就不再与物质发生显著相互作用。

由于辐射非常古老，当我们今天测量CMB时，我们了解的是早期宇宙的状况。但CMB的详细绘图告诉我们的远不止这些。

普朗克望远镜获得的CMB地图的一个重要见解是，宇宙在早期也异常平滑。宇宙中物质和辐射的密度和温度在不同地方只有0.001%的差异。如果存在更极端的差异，物质和辐射就会更加聚集。

这些变化或“波动”对于宇宙结构随后如何演变至关重要。没有这些波动，就不会有星系、恒星或行星，也不会有生命。一个非常有趣的问题是：这些波动从何而来?

我们目前的理解是，它们是量子力学的结果，量子力学是关于原子和粒子微观世界的理论。量子力学表明，空旷的空间具有一些背景能量，允许突然的局部变化，例如粒子的出现和消失。物质和能量的量子性质已在实验室中得到极为精确的验证。

人们认为，这些波动是在早期宇宙的一个非常快速的扩张时期(被称为“膨胀”)被放大到很大的规模，尽管膨胀背后的详细机制仍未完全了解。

随着时间的推移，这些波动不断加剧，宇宙中物质和辐射的排列也变得更加聚集。密度稍高的区域引力更强，因此会吸引更多物质，从而增加密度，进而增强引力，以此类推。密度稍低的区域则逐渐消失，随着时间的推移变得越来越空旷——这是宇宙中富人越来越富、穷人越来越穷的一个例子。

随着时间的推移，波动逐渐增大到一定程度，星系和恒星开始形成，星系分布在我们所熟悉的细丝和节点内和沿着构成“宇宙网”的细丝和节点。

标准解释

波动随时间增长的速度以及它们在空间中的聚集方式取决于几个因素：重力的性质、宇宙中物质和能量的组成部分，以及这些组成部分如何相互作用(包括自身和彼此之间的相互作用)。

这些因素都包含在宇宙学标准模型中。该模型基于爱因斯坦广义相对论(我们对引力的最佳理解)的解决方案，该解决方案假设宇宙在大尺度上是均匀和各向同性的——这意味着它在每个观察者看来在各个方向上都是相同的。

它还假设宇宙中的物质和能量由正常物质(“重子”)、由相对较重且移动缓慢的粒子(“冷”暗物质)组成的暗物质和恒定量的暗能量(爱因斯坦宇宙常数，表示为Lambda)组成。

自大约25年前诞生以来，该模型已成功解释了大量大尺度宇宙观测结果，包括CMB的详细特性。

直到最近，它还为后期大尺度结构聚类的各种测量提供了极好的拟合。事实上，一些大尺度结构的测量仍然能很好地用标准模型来描述，这可能为当前张力的起源提供了重要线索。

请记住，CMB向我们展示了早期物质的聚集(波动)。因此，我们可以利用标准模型将其随时间推移而演化，并预测其在理论上今天应该是什么样子。如果这一预测与观测结果相符，则非常有力地表明标准模型的要素是正确的。

“S8”张力

最近发生的变化是，我们对大尺度结构的测量，特别是在非常晚的时候，其精度有了显著提高。暗能量调查和千度调查等各种调查都发现了观测结果与标准模型不一致的证据。

换句话说，早期和晚期波动之间存在不匹配：晚期波动没有预期的那么大。宇宙学家将这种冲突称为“S8张力”，因为S8是我们用来表征晚期宇宙物质聚集的参数。

根据具体数据集，紧张局势成为统计偶然事件的概率可能低至0.3%。但从统计学角度来看，这还不足以完全排除标准模型。

然而，各种独立观测都强烈暗示了这种紧张关系。迄今为止，试图用测量或建模中的系统性不确定性来解释这种紧张关系的尝试根本就没有成功。

例如，之前有人提出，也许诸如超大质量黑洞的风和喷流等高能非引力过程能够注入足够的能量来改变大规模物质的聚集。

然而，我们使用最先进的宇宙流体动力学模拟(称为Flamingo)表明，这种影响似乎太小，无法解释与标准宇宙学模型之间的矛盾。

如果这种张力确实指出了标准模型的缺陷，这将意味着该模型的基本要素中存在一些不正确的地方。

这将对基础物理学产生巨大影响。例如，这种紧张关系可能表明我们对引力的理解存在错误，或者对被称为暗物质或暗能量的未知物质的性质的理解存在错误。就暗物质而言，一种可能性是它通过一种未知的力量(超越引力的东西)与自身相互作用。

或者，暗能量可能不是恒定的，而是随着时间而演变，正如暗能量调查仪器(Desi)的早期结果所表明的那样。一些科学家甚至在考虑一种新的(第五种)自然力的可能性。这种力量的强度与重力相似，在非常大的尺度上起作用，并会减缓结构的生长。

但请注意，标准模型的任何修改也需要考虑该模型成功解释的宇宙的许多观测结果。这不是一项简单的任务。在我们得出重大结论之前，我们必须确保这种紧张关系是真实的，而不仅仅是统计波动。

好消息是，即将利用Desi、鲁宾天文台、欧几里得、西蒙斯天文台和其他实验进行的大规模结构测量将能够通过更精确的测量来确认这种张力是否真实存在。

他们还将能够彻底测试已提出的许多标准模型的替代方案。也许在未来几年内，我们将排除宇宙学的标准模型，并彻底改变我们对宇宙运作方式的理解。或者该模型可能得到证实，并且比以往任何时候都更加可靠。对于宇宙学家来说，这是一个激动人心的时刻。