萬物皆有引力。但這種最常見的基本作用力同時也讓物理學家面臨著巨大挑戰。愛因斯坦廣義相對論在描述恒星和行星的引力方面非常成功,但當人們試圖用它描述所有的尺度時,表現卻不理想。
觀測證據一次又一次地證明著廣義相對論的偉大。從1919年愛丁頓對太陽偏轉星光的測量,到近年的引力波探測,無不如此。但是當人們試圖將其應用到極小尺度,或描述整個宇宙時,裂痕開始出現。
普朗克衛星2013年拍攝的宇宙微波背景輻射。ESA
量子理論預言真空含有能量。但我們無法覺察到這種能量。真空含有的能量是一種斥力,能將空間向著各個方向推開。有趣的是,1998年人們果然發現了宇宙的膨脹在加速。這一發現還獲得了2011年諾貝爾物理學獎。但是量子理論預言中的真空能量強度,比能夠推動宇宙加速膨脹所需的能量強度低了好幾個數量級。
所以究竟是不是真空能量推動了宇宙加速膨脹?如果確實是真空能量推動了宇宙加速膨脹,那麼為什麼理論預言的真空能量強度那麼弱?如果不是,那麼又是什麼在推動宇宙的加速膨脹?
一系列的謎,導致我們只能用「暗能量」和「暗物質」這樣模糊的概念,來解釋宇宙的加速膨脹和天體結構的演化。
「標準宇宙學理論」認為宇宙由70%的暗能量、25%的暗物質和5%的常規物質組成。這個理論非常成功,近20年來宇宙學家搜集到的數據都符合這個理論的預言。
但是假如宇宙真的大部分由暗能量和暗物質組成,那麼在一些情況下,人們會得到古怪而沒有意義的值。這也是為什麼許多物理學家懷疑,愛因斯坦的引力理論需要進行修正。
更有甚者,近年又出現了一個奇怪的現象:人們通過不同的方法測得的哈勃常數,也就是宇宙膨脹的速度都不一樣。
以北美西蒙·弗雷澤大學物理系Levon Pogosian為首的一批科學家設計了一套方法,試圖系統性地檢驗[大尺度]宇宙是否遵循愛因斯坦的理論法則。
使用貝葉斯統計法,研究人員在計算機模型內還原了引力在宇宙演化史中的各種表現。檢驗分為三個部分:宇宙的膨脹、引力對光的影響和引力對物質的影響。模型使用了普朗克衛星的宇宙微波背景輻射數據,斯隆數字化巡天(SDSS)和暗能量巡天(DES)的超新星目錄及其對星系形態與分布特征的觀測結果。
而當研究人員將結果與「標準宇宙學理論」的預言進行了對比之后,發現兩者并不完全符合。
研究人員認為,若非數據中存在未知的系統性錯誤,單憑修改引力理論來解決哈勃常數問題是非常困難的。要想獲得完整的解決方案,可能需要在宇宙學模型中加入新的要素。這種要素可能存在于宇宙大爆炸后不久。它可能是某種特殊形態的暗物質、早期形態的暗能量或原初磁場。