宇宙學迎來關鍵轉折，新物理或將現身

在過去的幾年裡，一系列的爭議動搖了成熟的宇宙學領域。簡而言之，宇宙標準模型的預測似乎和一些近期的觀測結果相沖突。

對於這些觀測結果是否存在偏差，以及預測整個宇宙結構和演化的宇宙學模型是否需要重新思考，存在着激烈的爭論。有些人甚至聲稱宇宙學正處於危機之中。目前，我們不知道哪一方會獲勝。但令人興奮的是，我們即將找出答案。

公平地說，爭議只是科學方法的正常過程。多年來，標準宇宙學模型也有其自身的爭議。該模型指出，宇宙由 68.3%的“暗能量”（一種致使宇宙膨脹加速的未知物質）、26.8%的暗物質（一種未知形態的物質）和 4.9%的普通原子構成，這是通過宇宙微波背景——大爆炸輻射的餘暉——極其精確地測量得出的。

它極爲成功地解釋了大量的數據，涵蓋了宇宙的大尺度和小尺度。例如，它可以解釋我們周圍星系的分佈以及宇宙最初幾分鐘內產生的氦和氘的數量。也許最重要的是，它還可以完美地解釋宇宙微波背景。

這讓它獲得了“一致性模型”的稱號。但是，一系列不一致測量的完美風暴——或者在宇宙學中被稱爲“張力”——現在正在質疑這個長期存在的模型的有效性。

標準模型對暗能量和暗物質的性質做出了特定的假設。但是，儘管經過了幾十年的密集觀測，我們似乎仍然沒有更接近於弄清楚暗物質和暗能量是由什麼組成的。

所謂的哈勃張力就是試金石。這與哈勃常數有關，哈勃常數是當前宇宙的膨脹速率。當在我們附近的局部宇宙中，從到附近星系中稱爲造父變星的脈動恆星的距離測量時，其值爲 73 千米/秒/百萬秒差距（Mpc 是星系間距離的測量單位）。然而，理論預測的值爲 67.4 千米/秒/百萬秒差距。差異可能不大（僅 8%），但在統計學上是顯著的。

哈勃張力大約在十年前被人們知曉。當時，人們認爲這些觀測可能存在偏差。例如，造父變星雖然非常明亮且易於觀測，但是它們與其他恆星擠在一起，這可能會讓它們看起來更加明亮。與模型預測相比，這可能會讓哈勃常數高出幾個百分點，從而人爲地造成了張力。

隨着能夠單獨分辨恆星的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的出現，人們曾希望能找到有關這個張力的答案。

令人沮喪的是，這事兒還沒發生。天文學家現在除了造父變星，還使用另外兩種類型的恆星，分別稱爲紅巨星分支尖端恆星（TRGB）和 J 區漸近巨星分支（JAGB）恆星。但是，雖然一組報告稱 JAGB 和 TRGB 恆星的值非常接近宇宙學模型預期的值，但另一組聲稱他們在觀測中仍然看到不一致。同時，造父變星的測量結果仍然顯示出哈勃張力。

需要注意的是，儘管這些測量非常精確，但它們仍可能受到與每種測量類型獨特相關的某些影響而產生偏差。這將以不同的方式影響每種類型恆星觀測的準確性。精確但不準確的測量，就好比試圖跟總是抓不住重點的人交談。爲了解決衝突數據之間的分歧，我們需要既精確又準確的測量。

好消息是，哈勃張力如今是一個發展迅速的故事。也許我們在明年左右就能找到答案。提高數據的準確性，比如納入來自更遙遠星系的恆星，將有助於解決這個問題。同樣，對被稱爲引力波的時空漣漪的測量也將能夠幫助我們確定常數。

這可能都證明了標準模型是對的。或者它可能暗示其中缺了某些東西。也許暗物質的性質或者引力在特定尺度上的行爲方式跟我們現在所認爲的不一樣。但在否定這個模型之前，人們不得不驚歎於它無與倫比的精度。它在推斷超過 130 億年的演化時，最多也就偏差了幾個百分點。

客觀來說，即使是太陽系中行星的有規律的運動，也只能可靠地計算出 不到 10 億年的情況，之後就變得不可預測了。標準宇宙學模型是一個非凡的模型。

哈勃張力並不是宇宙學面臨的唯一難題。另一個被稱爲“S8 張力”的問題 也在造成困擾，儘管程度不同。在這裡，該模型存在一個平滑度問題，它預測宇宙中的物質應該比我們實際觀察到的更聚集在一起——大約高出 10%。有多種方法可以測量物質的“聚集度”，例如通過分析星系光線中的扭曲，這是由假定的沿視線介入的暗物質造成的。

目前，在學界似乎有一個共識，即在排除宇宙學模型之前，必須梳理清楚觀測中的不確定性。緩解這種張力的一種可能方法是更好地理解星系中氣態風的作用，它可以排出一些物質，使其更加平滑。

瞭解小尺度上的聚集度測量與大尺度上的測量如何關聯將有幫助。觀測結果也可能表明，我們需要改變對暗物質的建模方式。例如，如果暗物質不是像標準模型所假設的那樣完全由冷的、緩慢移動的粒子組成，而是可以與一些 熱的、快速移動的粒子混合。這可能會減緩宇宙晚期聚集度的增長，從而緩解 S8 張力。

JWST 已經突顯了標準模型面臨的其他挑戰。其中之一是早期星系 似乎比預期的質量大得多。一些星系的質量可能與今天的銀河系相當，儘管它們是在大爆炸後不到 10 億年形成的，這表明它們的質量應該更小。

然而，對宇宙學模型產生的影響不太明確，因爲對於這些令人驚訝的結果可能有其他可能的解釋。解決這個問題的關鍵是改進星系中恆星質量的測量。因爲無法直接測量，我們從星系發出的光來推斷這些質量。

這一步包含了一些簡化的假設，這可能會致使質量被高估。

那麼，我們現在處於什麼狀況呢？雖然一些緊張狀況或許很快能通過更多、更優的觀測得以解釋，但目前尚不明確是否能夠化解所有困擾宇宙學模型的難題。

不過，有關如何修復這個模型的理論構想並不稀缺——或許太多了，多達幾百個，並且還在增多。

可能性很多。也許我們需要改變對暗能量性質的假設。也許它是一個隨時間變化的參數，最近的一些測量已經表明了這一點。或者也許我們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進宇宙的膨脹。修改宇宙大尺度上的引力行爲（與稱爲修正牛頓動力學或 MOND 的模型中的做法不同）也可能是一種選擇。

然而，到目前爲止，這些替代方案中沒有一個能夠解釋標準模型所能解釋的大量觀測結果。更令人憂心的是，其中一些或許能有助於緩解一種緊張狀況，卻會讓其他緊張狀況變得更糟。

如今，各種甚至挑戰宇宙學最基本準則的想法都有了契機。例如，我們可能需要放棄宇宙在“非常大的尺度上是均勻和各向同性的”這一假設，這意味着對所有觀察者來說，它在各個方向看起來都一樣，並表明宇宙中沒有特殊點。其他人則提議對廣義相對論進行修改。

有些人甚至構想了一個愛捉弄人的宇宙，它 與我們一起參與觀測行爲，或者其外觀會根據我們是否觀察它而改變——我們知道這種情況在原子和粒子的量子世界中會發生。

隨着時間的推移，這些想法中的很多可能會被歸入理論家的奇思妙想之列。但與此同時，它們爲測試“新物理學”提供了肥沃的土壤。

這是件好事。這些緊張關係的答案無疑將來自更多的數據。在接下來的幾年中，JWST、暗能量光譜儀（DESI）、維拉·魯賓天文臺以及歐幾里得等衆多實驗所形成的強大觀測合力，將助力我們找到長期以來苦苦追尋的答案。

一方面，更精確的數據和對測量中系統不確定性的更好理解，可能會讓我們回到標準模型令人安心的舒適區。從過去的困境中走出來，這個模型不僅可能被證明是正確的，而且可能會得到加強，宇宙學將成爲一門既精確又準確的科學。

但倘若平衡朝另一個方向傾斜，我們就會被帶入未知的領域，在那裡必須去探索新的物理學。這可能會導致宇宙學的重大範式轉變，類似於 20 世紀 90 年代末發現宇宙的加速膨脹。但在這條道路上，我們可能必須一勞永逸地考慮暗能量和暗物質的本質，這是宇宙中兩個尚未解決的大謎團。