在宇宙尺度，檢驗愛因斯坦的理論
引力謎團
引力是自然界中四種基本力的其中一種。在我們的宇宙中，一切具有質量的物體都有引力，它們也能感受到引力。愛因斯坦的廣義相對論是目前描述引力最好的理論，它在描述恆星和行星的引力方面非常成功，但它似乎並不能完美地適用於所有的尺度。
在過去的100多年裡，從1919年愛丁頓在日全食時測量太陽讓星光發生偏轉，到近幾年成功探測到引力波，廣義相對論已經通過了各種觀測和試驗的檢驗。然而，當試圖將它應用到受量子力學支配的極小尺度時，或着想要用它來描述整個宇宙時，我們的理解就開始出現裂縫。
現在，在一篇新發表於《自然·天文學》的研究中，一組研究人員報告了他們在最大尺度上對廣義相對論的檢驗，結果暗示，在這個宇宙級尺度上，廣義相對論可能需要修正。而新研究所使用的方法，也有望在將來幫助解決宇宙學中的一些最大謎團。
標準宇宙學模型，錯了？？？
根據量子理論，真空中充滿了能量。我們之所以注意不到這種真空能量的存在，是因爲目前的設備只能測量它們的變化，而無法測其總量。
然而，根據愛因斯坦的理論，真空能量具有“反引力”——它能將真空空間推得更開。1998年，物理學家發現，宇宙在加速膨脹。然而，可用於解釋這種加速所需的真空能量，或者說暗能量，要比量子理論所預測的小許多個數量級。
這個被稱爲“舊宇宙學常數問題”的大問題，討論的是真空能量是否真的具有能改變宇宙膨脹的引力作用。如果是，爲什麼它的引力比預測的要弱得多？如果不是，那又是什麼導致了宇宙的加速膨脹？
沒有人知道暗能量究竟是什麼，但是若想要解釋宇宙的膨脹，天文學家只能假設它的存在。與此同時，他們還需要假設暗物質（一種尚未被發現的看不見的物質）的存在，以此來解釋星系和星系團演化成我們今天所觀測到的樣子。
這些假設被納入了標準宇宙學模型（ΛCDM模型）中，根據這一模型，宇宙中有70%的暗能量，25%的暗物質和5%的普通物質。這個模型成功地擬合了宇宙學家在過去20年裡收集的所有數據。
然而，認爲宇宙的大部分是由未知的暗能量和暗物質構成的觀點，會導致出現奇怪的、無意義的值。這些無意義的值促使許多物理學家開始懷疑，若想描述整個宇宙，愛因斯坦的引力理論是否需要修正。
幾年前，一個新的轉折點出現了。天文學家發現，當他們用兩種不同的方法測量來測量宇宙的膨脹速率時，得到的結果並不一致。這個問題被稱爲哈勃常數爭議（詳見）。
爲了解釋哈勃常數爭議，科學家們提出了許多修正ΛCDM理論的想法，其中也包括一些其他的引力理論。
挖掘答案
廣義相對論將引力描述爲空間和時間的彎曲，會使光和物質的傳播路徑發生偏轉。它預測在引力的作用下，光和物質的軌跡應該以同樣的方式彎曲。
在新研究中，研究團隊對廣義相對論的基本定律進行了檢驗，並同時探討了修正廣義相對論是否有助於解決宇宙學的一些開放性問題，如哈勃常數爭議。
爲了弄清廣義相對論在大尺度上是否仍然有效，研究人員首次同時着手研究廣義相對論的三個方面：宇宙的膨脹，引力對光的影響，引力對物質的影響。
通過使用一種被稱爲貝葉斯推理的統計方法，研究人員在一個基於這三個參數的計算機模型中，重建了宇宙史中的宇宙引力。利用普朗克衛星收集到的宇宙微波背景數據、超新星目錄，以及SDSS和DES望遠鏡對遙遠星系的形狀和分佈的觀測，研究人員可以對參數進行估算，然後將重建的引力與ΛCDM模型的預測進行比較。
通過比較，他們發現重建結果與愛因斯坦的預測可能存在不一致，儘管這種差異的統計意義非常低。但這仍意味着，在大尺度下，引力的運作可能有所不同，因此或許需要對廣義相對論進行修正。
他們的研究還發現，僅通過改變引力理論來解決哈勃常數爭論是非常困難的。完整的解決方案可能需要向宇宙學模型中添加一種新的“成分”，這種成分在大爆炸後質子和電子首次結合形成氫之前就存在了，它可能是暗物質的一種特殊形式，也可能是一種早期的暗能量或原始磁場，當然也可能只是存在於數據中的某種未知的系統錯誤。
總的來說，新的研究已經證明，以現有的觀測數據對廣義相對論在宇宙學距離上的有效性進行驗證是可行的。雖然研究結果尚沒能爲哈勃常數問題帶來解決方案，但相信在不久的將來，更多新的數據將能帶來更多的希望。屆時，研究人員將能使用這些統計方法繼續調整廣義相對論，探索修正的極限，爲解決宇宙學中的一些重大而基本的開放性挑戰鋪平道路。
#創作團隊：
撰文：
Kazuya Koyama（朴茨茅斯大學宇宙學教授）
Levon Pogosian（西蒙菲莎大學物理學教授）
翻譯：不二北斗
排版：雯雯
#參考來源：
https://theconversation.com/we-tested-einsteins-theory-of-gravity-on-the-scale-of-the-universe-heres-what-we-found-194118
#圖片來源：
封面圖&首圖：NASA