Q说:

宇宙学中最大的谜团之一是宇宙膨胀的速度。然而科学家却发现,宇宙速度的变化却有两种不一致的表现。这使得最古老的恒星比宇宙本身还要古老。

在宇宙学中有一个被称为Lambda 冷暗物质(ΛCDM)的标准模型能够对宇宙膨胀以及其膨胀的速度进行预测。 这个模型的原理是基于对宇宙大爆炸时所留下的微波背景辐射(CMB)的详细观测。 科学家们通过观测到星体的“红移”现象得出了一个结论: 宇宙的膨胀使得星系间彼此远离。而且这些星系离我们越远,看起来移动得也越快。 用声音的多普勒现象来解释红移。 就好比你听到一个正在远离你的汽车在按喇叭,它的声音音调会变低一样,光的频率也会变低,呈现出红色的倾向。 而相反的,当汽车驶近,喇叭发出的声音音调就会变高,而光的频率也会变高,呈现出蓝色的倾向。 所以星体间距离我们的移动现象就被称为哈勃红移与蓝移。 根据星系的速度和距离之间的关系受“哈勃常数”[1]估算,星系距离我们每远离一百万光年,每小时就会增加约 50,000 英里(80,467.2公里)的速度。 但在近些年最新的研究中,科学家发现宇宙的膨胀速度与哈勃常数的测量值有着不一致的情况。这让科学家对冷暗物质标准模型产生了许多争议,这导致了所谓的“哈勃张力”。 当使用附近的星系和超新星[2]测量膨胀率时,它比我们根据 CMB 预测的膨胀率大了 10%。 有科学家提出了一种可能的解释: 我们所处的位置是宇宙中的一个巨大空隙,这里的物质密度低于宇宙其他区域的平均水平。而这个“空洞”大约有十亿光年的半径,平均密度大约可能比整个宇宙平均密度低20%左右。 如此大的空隙在标准模型中也是让人出乎意料的,所以这个解释也存在相当大的争议。 因为宇宙微波背景相当于提供了早期宇宙的“结构快照”,在数据中表明,现在的宇宙中的物质应该已经相当均匀地分布在空间之中了。 然而,对于星体哈勃红移的直接计算,不同区域的星系数量确实也表明我们似乎正处于某种宇宙局部“空洞”之中。

因此,科学家们为了解决这个问题提出了一种新的思路“修正牛顿动力学(MOND)”的替代引力理论,用来替代非标准模型中的ΛCDM。 MOND最初是为解释星系旋转速度的异常提出的,这个理论认为在引力非常弱的情况下,牛顿引力定律会失效。 使用MOND理论,研究者发现他们的模型可以更好地解释观测数据(能更好的解释哈勃张力),尤其是在描述星系整体流动速度时。 这个模型也进一步证明,我们可能位于一个宇宙的大空洞中最空的区域,这个空洞可能是在宇宙早期,由小密度波动造成的。 而且这个理论或许也可以解释,宇宙年龄的矛盾: 如果星体移动的速度比预测的快10%,那么意味着宇宙的实际年龄比宇宙中最古老的恒星的年龄还要年轻10%,这就产生了一个悖论,在宇宙没诞生之前星体就诞生了。

简单来说,MOND理论的出现让人们发现,宇宙的这种异常膨胀速度与引力理论很可能只是存在于这个超大的宇宙空洞之中,而非整个宇宙。 但同时令人细思极恐的是,这也意味着我们所通过爱因斯坦的广义相对论理解的宇宙,可能和外部的宇宙并不相同。 或许人类即将发现宇宙与引力的新秘密。

参考引用: [1]哈勃常数通常以千米每秒每兆秒(km/s/Mpc)为单位。这意味着,如果一个星系距离我们1兆秒差不多300,000光年,那么如果它的速度是70 km/s/Mpc,那么它与我们的速度就是70 km/s。 [2]超新星(Supernova)是恒星在其寿命结束时发生的爆炸现象,释放出极为庞大的能量。这一现象通常是在恒星的内部核燃烧耗尽燃料,不能维持核平衡时发生的。超新星爆发的能量释放相当于数十亿颗太阳的光辉,使得这一事件在宇宙中变得非常明显。

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