在宇宙尺度，检验爱因斯坦的理论

引力是自然界中四种基本力的其中一种。在我们的宇宙中，一切具有质量的物体都有引力，它们也能感受到引力。爱因斯坦的广义相对论是目前描述引力最好的理论，它在描述恒星和行星的引力方面非常成功，但它似乎并不能完美地适用于所有的尺度。

在过去的100多年里，从1919年爱丁顿在日全食时测量太阳让星光发生偏转，到近几年成功探测到引力波，广义相对论已经通过了各种观测和试验的检验。然而，当试图将它应用到受量子力学支配的极小尺度时，或着想要用它来描述整个宇宙时，我们的理解就开始出现裂缝。

现在，在一篇新发表于《自然·天文学》的研究中，一组研究人员报告了他们在最大尺度上对广义相对论的检验，结果暗示，在这个宇宙级尺度上，广义相对论可能需要修正。而新研究所使用的方法，也有望在将来帮助解决宇宙学中的一些最大谜团。

根据量子理论，真空中充满了能量。我们之所以注意不到这种真空能量的存在，是因为目前的设备只能测量它们的变化，而无法测其总量。

然而，根据爱因斯坦的理论，真空能量具有“反引力”——它能将真空空间推得更开。1998年，物理学家发现，宇宙在加速膨胀。然而，可用于解释这种加速所需的真空能量，或者说暗能量，要比量子理论所预测的小许多个数量级。

这个被称为“旧宇宙学常数问题”的大问题，讨论的是真空能量是否真的具有能改变宇宙膨胀的引力作用。如果是，为什么它的引力比预测的要弱得多？如果不是，那又是什么导致了宇宙的加速膨胀？

没有人知道暗能量究竟是什么，但是若想要解释宇宙的膨胀，天文学家只能假设它的存在。与此同时，他们还需要假设暗物质（一种尚未被发现的看不见的物质）的存在，以此来解释星系和星系团演化成我们今天所观测到的样子。

这些假设被纳入了标准宇宙学模型（ΛCDM模型）中，根据这一模型，宇宙中有70%的暗能量，25%的暗物质和5%的普通物质。这个模型成功地拟合了宇宙学家在过去20年里收集的所有数据。

然而，认为宇宙的大部分是由未知的暗能量和暗物质构成的观点，会导致出现奇怪的、无意义的值。这些无意义的值促使许多物理学家开始怀疑，若想描述整个宇宙，爱因斯坦的引力理论是否需要修正。

几年前，一个新的转折点出现了。天文学家发现，当他们用两种不同的方法测量来测量宇宙的膨胀速率时，得到的结果并不一致。这个问题被称为哈勃常数争议（详见《宇宙学最大的争论即将迎来终结？》）。

为了解释哈勃常数争议，科学家们提出了许多修正ΛCDM理论的想法，其中也包括一些其他的引力理论。

广义相对论将引力描述为空间和时间的弯曲，会使光和物质的传播路径发生偏转。它预测在引力的作用下，光和物质的轨迹应该以同样的方式弯曲。

在新研究中，研究团队对广义相对论的基本定律进行了检验，并同时探讨了修正广义相对论是否有助于解决宇宙学的一些开放性问题，如哈勃常数争议。

为了弄清广义相对论在大尺度上是否仍然有效，研究人员首次同时着手研究广义相对论的三个方面：宇宙的膨胀，引力对光的影响，引力对物质的影响。

通过使用一种被称为贝叶斯推理的统计方法，研究人员在一个基于这三个参数的计算机模型中，重建了宇宙史中的宇宙引力。利用普朗克卫星收集到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，研究人员可以对参数进行估算，然后将重建的引力与ΛCDM模型的预测进行比较。

通过比较，他们发现重建结果与爱因斯坦的预测可能存在不一致，尽管这种差异的统计意义非常低。但这仍意味着，在大尺度下，引力的运作可能有所不同，因此或许需要对广义相对论进行修正。

他们的研究还发现，仅通过改变引力理论来解决哈勃常数争论是非常困难的。完整的解决方案可能需要向宇宙学模型中添加一种新的“成分”，这种成分在大爆炸后质子和电子首次结合形成氢之前就存在了，它可能是暗物质的一种特殊形式，也可能是一种早期的暗能量或原始磁场，当然也可能只是存在于数据中的某种未知的系统错误。

总的来说，新的研究已经证明，以现有的观测数据对广义相对论在宇宙学距离上的有效性进行验证是可行的。虽然研究结果尚没能为哈勃常数问题带来解决方案，但相信在不久的将来，更多新的数据将能带来更多的希望。届时，研究人员将能使用这些统计方法继续调整广义相对论，探索修正的极限，为解决宇宙学中的一些重大而基本的开放性挑战铺平道路。

#创作团队：

撰文：

Kazuya Koyama（朴茨茅斯大学宇宙学教授）

Levon Pogosian（西蒙菲莎大学物理学教授）

翻译：不二北斗

排版：雯雯

#参考来源：

https://theconversation.com/we-tested-einsteins-theory-of-gravity-on-the-scale-of-the-universe-heres-what-we-found-194118

#图片来源：

封面图&首图：NASA