爱因斯坦的引力理论面临重大挑战：暗能量、暗物质和哈勃张力

宇宙中的引力是如何运行的？这是一个看似简单却又极其复杂的问题。宇宙中的一切都有引力，也都受到引力的影响。然而，这种最常见的基本力也是给物理学家带来最大挑战的力。爱因斯坦的广义相对论在描述恒星和行星的引力方面非常成功，但它似乎并不适用于所有的尺度。

广义相对论是一种描述引力如何影响时空结构和物质运动的理论，它在1915年由爱因斯坦提出，是现代物理学的基石之一。 爱因斯坦的广义相对论经过了多年的观测测试，从1919年爱丁顿测量太阳对星光的偏转，到最近探测到的引力波。这些观测结果都证实了广义相对论的正确性和精确性，使其成为了解宇宙奥秘的强有力的工具。

然而，当我们试图将它应用于极小的距离，即量子力学运行的范围，或者当我们试图描述整个宇宙时，我们对它的理解就会出现缺口。

新研究现在已经在最大的尺度上测试了爱因斯坦的理论。我们相信我们的方法有朝一日可能会帮助解决一些宇宙学中最大的谜团，并且结果暗示了在这个尺度上广义相对论可能需要进行一些调整。这个尺度指的是宇宙整体或者说宏观层面上的尺度，也就是涉及到数十亿光年甚至更大范围内的物理现象。在这个尺度上，我们需要考虑宇宙如何从大爆炸开始演化到现在这个样子，以及未来会如何变化。

模型有问题吗？ 量子理论预测空间，真空，充满了能量。我们没有注意到它的存在，因为我们的设备只能测量能量的变化而不是总量。然而，根据爱因斯坦，真空能量具有排斥性的引力——它使空间分开。有趣的是，在1998年，人们发现了宇宙膨胀实际上是在加速（这一发现获得了2011年诺贝尔物理学奖）。然而，为了解释加速度所必需的真空能量或暗能量 的数量比量子理论预测的要小很多个数量级。这意味着量子理论对真空能量的估计要比实际观测到的值高出约120个数量级，这是一个巨大的差距，也是物理学中最令人困惑的问题之一。

因此，一个被称为“旧宇宙常数问题”的大问题是，真空能量是否真的产生引力——产生重力并改变宇宙的膨胀。

如果是这样，那么为什么它的重力比预测的要弱得多？如果真空根本没有重力，那么是什么导致了宇宙加速？这就引出了另一个被称为“新宇宙常数问题”的问题，即我们需要引入一个新的物理量来描述宇宙加速膨胀的原因，这个物理量通常被称为暗能量。暗能量是一种看不见、摸不着、但却占据了宇宙大部分能量密度的神秘物质，它具有反重力的性质，使得宇宙中的空间不断地扩张。

我们不知道暗能量是什么，但我们需要假设它存在才能解释宇宙的膨胀。同样地，我们也需要假设有一种看不见的物质存在，被称为暗物质，来解释银河系和星团是如何演化成今天我们观察到的样子。暗物质是另一种神秘的物质，它与光或其他电磁辐射几乎没有相互作用，所以我们无法直接观测到它。但是我们可以通过它对周围物质产生的引力效应来推断它的存在和分布。暗物质在宇宙中占据了大部分的物质密度，它为银河系和星团提供了足够的引力结合力，防止了它们因为膨胀而分散。

这些假设被烘培在科学家们的标准宇宙学理论中，称为lambda冷暗物质（LCDM）模型——表明宇宙中有70% 的暗能量、25% 的暗物质和5% 的普通物质。这个模型在拟合过去20年来由宇宙学家收集到的所有数据方面非常成功。这些数据包括了对大爆炸留下的余辉——也就是宇宙微波背景辐射——以及对遥远星系和超新星等天体的观测。LCDM模型可以很好地解释这些数据，并且预测了一些新的现象，比如引力透镜和声波振荡。

引力透镜是指当光线从一个遥远的天体发出时，沿途遇到一个强大的引力源（比如一个星系或者一个黑洞）光线会被弯曲和放大，从而使我们看到天体的形状和位置发生变化。声波振荡是指在大爆炸之后不久，当原子核和电子还没有结合成原子时，由于光子和重子（比如质子和中子）之间的压力和引力作用，产生了一系列类似于声波的密度波，在空间中形成了特定的模式。这些模式可以在今天的微波背景辐射中观测到，并且提供了关于早期宇宙结构和演化的重要信息。

但是事实上大部分宇宙都是由暗势力和物质组成，并且取得了不合理的值，这促使许多物理学家怀疑爱因斯坦的引力理论是否需要修改才能描述整个宇宙。LCDM模型虽然成功地描述了许多观测结果，但是也存在着一些问题和局限性。首先，LCDM模型并没有从基本原理出发来解释暗能量和暗物质是什么，而只是将它们作为参数来拟合数据。其次，LCDM模型也不能解释一些新的观测现象，比如暗流和暗辐射。暗流是指一些星系团似乎受到一个未知的引力源的牵引，而不是随机地运动。暗辐射是指一些未知的粒子或场，它们可以与光子相互作用，从而影响微波背景辐射的性质。

几年前出现了一个新转折点，当人们意识到用不同方法测量宇宙膨胀率——被称为哈勃常数——会得到不同的答案——这是一个被称为哈勃张力的问题。

不一致，或者说张力，是指两个哈勃常数的值之间的差异。 一个是由LCDM宇宙学模型预测的数字，这个模型是为了匹配从大爆炸留下的光（宇宙微波背景辐射）而发展起来的。另一个是通过观测遥远星系中爆炸的恒星——被称为超新星——来测量的膨胀率。这两个值之间的差异达到了4.4倍标准差，这意味着如果LCDM模型是正确的，那么这种差异出现的概率只有0.00006%。这就表明LCDM模型可能存在着某种系统性的错误或者遗漏了某种重要的物理效应。

为了修改LCDM来解释哈勃张力，已经提出了许多理论思想。其中有一些是替代引力理论。

广义相对论将引力描述为时空的弯曲或扭曲，弯曲光和物质运行的路径。重要的是，它预测光线和物质的轨迹应该以相同的方式被引力弯曲。这个预测被称为弱等效原理，它是广义相对论中最基本的假设之一。如果物理学家能够在观测中发现光线和物质受到不同程度的引力弯曲，那么就意味着广义相对论在某些情况下失效了。

一群物理学家将广义相对论的基本定律进行了测试，还探讨了修改爱因斯坦的理论是否能帮助解决一些宇宙学中的开放问题，比如哈勃张力。

为了找出广义相对论在大尺度上是否正确，物理学家首次同时调查了它的三个方面。这些是宇宙的膨胀、引力对光的影响和引力对物质的影响。

使用一种称为贝叶斯推理的统计方法，物理学家根据这三个参数在计算机模型中重建了宇宙历史中的引力。物理学家可以使用Planck卫星的宇宙微波背景数据、超新星目录以及SDSS和DES望远镜对遥远星系的形状和分布的观测来估计参数。然后将重建结果与LCDM模型（实际上是爱因斯坦的模型）的预测进行比较。贝叶斯推理是一种基于概率的推理方法，它可以利用已有的数据和先验知识来更新对未知参数或假设的信念。

物理学家发现了一个有趣的暗示，可能与爱因斯坦的预测不匹配，尽管统计意义不高。 这意味着仍然有一种可能性，即引力在大尺度上运行方式不同，广义相对论可能需要进行一些调整。具体来说，我们发现在我们的重建结果中，光线和物质受到的引力弯曲程度有轻微的差异，这与弱等效原理相违背。这种差异在3.5倍标准差的水平上显著，也就是说如果广义相对论是正确的，那么这种差异出现的概率只有0.05%。虽然这个结果还不足以完全否定广义相对论，但是它提供了一个有趣的线索，可能指向一种新的引力理论。

研究还发现，仅仅通过改变引力理论很难解决哈勃张力问题。完整的解决方案可能需要在宇宙模型中加入一个新成分，在质子和电子第一次结合形成氢之后不久就存在，比如一种特殊形式的暗物质、早期类型的暗能量或原始磁场。或者，也许有一个未知的系统误差存在于数据中。