爱因斯坦相对论中新发现的“故障”可能会改写宇宙的规则

爱因斯坦的广义相对论是我们对大尺度宇宙的最佳描述，但一项新的观察报告称，远古天体结构周围的重力“故障”可能会迫使它被修改。研究人员认为，引力中的一种奇怪的“宇宙故障”可以解释宇宙在最大尺度上的奇怪行为。

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦首次提出了广义相对论，现在，它仍然是我们对引力如何在中尺度到大尺度上工作的最好和最准确的理解。

然而，如果把距离拉得更远，观察相互作用的巨大引力束缚星系群，就会发现一些不一致的地方。这表明，理论上在所有时间和尺度上都是恒定的引力，实际上可能在宇宙距离上变得稍微弱一些。

在3月20日发表在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上的一项研究中，研究人员将这种差异描述为“宇宙故障”，他们说，他们提出的解决方法可以帮助我们理解宇宙中一些最持久的谜团。

“这就像在一个球体的表面上做一个拼图，然后把碎片放在一张平桌子上，试图把它们拼在一起，”该研究的合著者、安大略省滑铁卢大学的天体物理学教授尼亚耶什·阿夫肖迪表示。“在某些时候，桌子上的碎片会不太适合彼此，因为你使用了错误的框架。

阿夫肖迪补充说：“这个小故障是违反爱因斯坦等效原理（或洛伦兹对称）的确凿证据，它可能指向量子引力、大爆炸或黑洞的完全不同的图景。”

关注宇宙

爱因斯坦的广义相对论非常擅长描述量子尺度以上的宇宙，它甚至预测了我们宇宙的其他方面，包括黑洞、光的引力透镜、引力波和大爆炸。

然而，理论与现实之间仍然存在一些差异。首先，试图缩小广义相对论的规模来描述引力如何在量子尺度上运行，将其通常稳固的方程变成了难以理解的废话。

其次，完善我们目前的宇宙模型需要引入两个神秘的补充，即暗物质和暗能量。据信，这些物质构成了宇宙的大部分内容，但它们从未被直接探测到，也无法解释为什么我们的宇宙会根据我们的观察方向以不同的速度膨胀。

针对这些问题，这篇新论文的作者提出了一个简单的建议：在不同的距离尺度上对爱因斯坦的理论进行调整。

“修改非常简单：我们假设宇宙尺度上的万有引力常数与更小（如太阳系或银河系）尺度上的万有引力常数不同，”阿夫肖迪说。“我们称之为宇宙故障。”

阿夫肖迪说，这种调整改变了宇宙微波背景辐射（大爆炸后38万年产生的残余辐射）和宇宙结构和膨胀中的模式。这些调整是微妙的，但引力定律随距离尺度变化的含义可能是深远的。

“我们发现了这个小故障的证据：宇宙引力比银河系/太阳系引力弱1%左右，”他补充说。

研究人员说，这个小故障的存在可以通过下一代星系调查来证实，包括由欧洲航天局的欧几里得太空望远镜、暗能量光谱仪器和西蒙斯天文台进行的调查。他们说，这些仪器将使对故障的测量比目前可能的精确四倍，因此，证实或排除他们的理论。

然而，一些科学家表示，对爱因斯坦的相对论进行简单的修改可能还不够。事实上，天文观测揭示的差异可能暗示着我们对宇宙的理解需要彻底重写。

卡耐基梅隆大学物理学教授、物理系主任斯科特·多尔森没有参与这项研究，但他说：“这个新模型稍微更符合数据，这并不奇怪，但也许这告诉了我们一些东西。”

“如果是这样，这意味着我们了解的甚至比我们想象的还要少，”他指出。“我的直觉是，我们需要一种新的模式，而不是增加更多的新东西。但目前还没有人想出任何有意义的东西。”