参考消息网4月2日报道，英国《新科学家》周刊网站3月4日刊登题为《可以解释宇宙膨胀的宇宙时间景观》的文章，作者是斯图尔特·克拉克，内容编译如下：

宇宙有自己的景观——星系组成丝状结构，星系之间是近乎空无一物的空洞。这是我们早就知道的。但现在，一组宇宙学家又往前迈进了一步。他们提出，宇宙中不仅有景观，还有时间景观。他们的设想是，时间的流动因地而异。

说这违背常理还是保守了，因为我们一直认为，在大尺度上，时间在整个宇宙中以相同的速度流动。但在这个被称为时间景观宇宙观的图景中存在大片宇宙区域，那里的时间比我们通常假设的流逝得更久。

宇宙学模型

这听起来可能很奇怪，但吸引一些物理学家的正是这个设想的简洁优雅。它不涉及任何怪异的物理原理，而是从既定理论中自然产生。这一设想的创造者、新西兰坎特伯雷大学的戴维·威尔特希尔说：“它是广义相对论结构的一部分，它只是不属于人们以前思考的结构。”他的设想可以解释物理学中最大的难题之一，并颠覆天文学家模拟宇宙的标准方式。现在，随着新的太空观测结果陆续公布，有迹象表明，太空中可能存在某种东西。

近一个世纪以来，天文学家知道，太空正在膨胀。所有没有被引力锁定在一起的东西正飞离其他一切东西。鉴于宇宙始于引发膨胀的大爆炸，你可能会想到这一点。20世纪90年代中期，两个独立的研究团队取得了一项非常重要且令人意外的发现，并因此获得了诺贝尔奖。

宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度越来越快。由于没有简单的方法来解释这一点，宇宙学家认为，太空中充满了神秘的“暗能量”，它让宇宙加速膨胀。问题是，尽管人们花费了几十年时间来思考这种暗能量，对于这种暗能量到底是什么，仍没有自然的解释。

这也是一个被称为宇宙学原理的假设的现状。这个假设由英国天体物理学家爱德华·亚瑟·米尔恩于1933年提出。它认为，宇宙中没有特殊的地方，因此从我们在地球上所处的有利位置得出的结论在整个太空中也是普遍正确的。

以宇宙的年龄为例。天文学家估计，宇宙的年龄约为138亿年。尽管该结果是科学家利用从地球上获得的测量数据计算出来的，但宇宙学原理指出，如果我们从太空中某个遥远的随机地点做相同的计算，应该会得到相同的答案。这是因为，根据宇宙学原理，宇宙在大尺度上既是各向同性的，也是均匀的。各向同性的意思是，从各个方向看去，宇宙都是一样的，而均匀的意思是，宇宙各处具有相同的性质。芝加哥大学宇宙学家乔舒亚·弗里曼说：“如果我观察星系在大尺度上的分布，我向北看时看到的星系数量与我向南看、向东看或向西看时大致相同。”

凭借这个宇宙学原理，再加上爱因斯坦的广义相对论(关于引力如何扭曲空间和时间的理论)，我们得到了一个宇宙学模型。它需要额外的成分来解释我们的宇宙，即暗物质和暗能量。该模型的标准版本假设，暗物质由被称为冷暗物质的重且缓慢的粒子组成，而暗能量是一个恒定能量场。这个宇宙学标准模型被称为ΛCDM，大多数天体物理学家和宇宙学家透过它来观察宇宙。

膨胀的空洞

不过，宇宙学原理的问题在于，宇宙仅在约4亿光年或更大尺度上是各向同性和均匀的。低于这个尺度，不同地方的情况则截然不同。比如星系团，它们包含的物质多到可以自我抱团，完全脱离宇宙膨胀过程。再比如空洞，它们是庞大的、几乎空无一物的区域，膨胀在那里正常进行。

在21世纪第一个十年中期，威尔特希尔注意到了托马斯·布赫特的研究。布赫特当时在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心粒子物理实验室工作，他对宇宙的这种不均匀性很感兴趣。由于学界认为空洞占宇宙容积的95%，布赫特开始考虑用一种更好的方法来研究空洞，而不是简单地假设宇宙学原理成立。威尔特希尔采用了布赫特的方法，将其运用于广义相对论，时间景观模型由此在2007年诞生。

一个奇怪的现象是引力时间膨胀，即大质量天体的引力会扭曲时空，导致在这些天体附近时间流逝得比在远处要慢。引力场越强，时间流逝得越慢。这个概念本身并不新鲜，但宇宙学家通常认为，这种效应在大尺度上往往会缓和下来，因为根据宇宙学原理，物质大致均匀地分布在宇宙各处。

就像威尔特希尔及其同事所主张的那样，抛开宇宙学原理，你就不能再假设这种情况成立。如果你想要一个与这种物质观一致的宇宙学模型，你就得深入探究将时空特性与其内物质和能量的量联系起来的爱因斯坦方程的本质。这些时空特性决定了宇宙的那个部分是否在膨胀；如果在膨胀，膨胀的速度是多少；以及在该区域时间以怎样的速度流逝。

由于空洞中几乎没有物质，所以时间在那里流动的方式会截然不同。坎特伯雷大学研究团队成员瑞安·里登-哈珀说：“空洞的年龄可能比(星系团)大40亿年。”换句话说，自大爆炸以来在空洞中流逝的时间比在银河系中流逝的时间要多。因此，宇宙的年龄将因你在宇宙中所处的位置而异。我们的宇宙没有一个单一的年龄。

这也意味着，空洞内空间膨胀的时间比我们认为的(如果我们单纯使用在银河系内部计算得出的宇宙年龄的话)多40亿年。一旦我们使用时间景观模型校正不同位置之间的这种差异，研究人员称就不再需要暗能量了。该观点自首次被提出以来一直很难让人接受。之前有过处理宇宙结构明显的不均匀特性的不同方法，但那些方法都无法改变主流观点。

爆炸和涟漪

弗里曼是那些仍未被说服的人之一。他说：“关于(非均匀宇宙观)的文献有很多。当你把这些大结构包括进去，它们真的能以模仿暗能量效应的方式影响宇宙的膨胀吗？在我看来，大多数文献表明，这不会发生。”

他并不是唯一持这种观点的人。然而，威尔特希尔表示，其他研究团队构建非均匀宇宙观的早期努力只讲述了故事的一半，因为他们继续假设宇宙的年龄是恒定的。他说，许多人没有意识到，时间景观是不同的，因为它包含一个变化的年龄。这就是时间景观行得通的原因，它让空洞比我们根据本地计算结果所预期的多膨胀数十亿年。

由于有了名为Pantheon+的新数据集，威尔特希尔现在可能又有机会说服他的同行了。这个数据集包含对1535颗超新星(即爆炸恒星)的观测结果。这些超新星属于一种特定类型，名为1a型超新星。它们释放的能量基本上相同，因此它们亮度的任何变化都是它们与我们地球的距离造成的。这使它们成为测量宇宙的绝佳方法。

但对于威尔特希尔来说，该数据集的真正价值在于，所有观测结果都经过了校准，以消除用不同望远镜记录超新星导致的潜在误差。有了如此庞大、经过精确校准的数据集，科学家终于可以对时间景观模型和ΛCDM模型进行有意义的对比。

在今年1月发表的最新分析报告中，威尔特希尔及其同事利用Pantheon+数据集中的超新星，对比ΛCDM宇宙学模型和时间景观模型与数据的契合程度。他们称，他们的统计分析得出了“支持时间景观模型优于ΛCDM模型的有力证据”。

更多的数据

ΛCDM模型为我们理解宇宙奠定了基础，然而尽管它取得了许多毋庸置疑的成功，但它面临来自宇宙学(不仅仅来自时间景观概念)的诸多挑战。

根本问题在于，ΛCDM模型本身无法契合我们所有的观测结果。2005年，约翰斯·霍普金斯大学的亚当·里斯(他因发现暗能量而获得诺贝尔奖)开始关注一个叫哈勃张力的谜题。这个谜题涉及以下事实：我们计算宇宙当前膨胀速度(即哈勃常数)的两种主要方法不匹配。第一种方法利用了对相对较近的宇宙中超新星的观测结果，得出的数值约为73公里/秒/百万秒差距。计算哈勃常数的另一种方法是，从对极其遥远的宇宙微波背景(即大爆炸遗留下来的微弱辐射)的观测结果入手，使用ΛCDM模型追踪过去约130亿年的宇宙演化，从而得出当前的哈勃常数。这么计算的话，当前的哈勃常数应为67.7公里/秒/百万秒差距。这两个数值的不匹配令人不安。里斯说：“在我看来，这是(宇宙学标准模型中)存在一丝裂缝的迹象。”

威尔特希尔认为，时间景观宇宙观可能填补这个裂缝。大爆炸过后大约38万年，构成宇宙微波背景的辐射形成，当时充满宇宙的原始等离子体几乎是均匀的。但随着引力将物质聚拢在一起，它创造了结构，并最终使现代宇宙呈现出由星系团和空洞构成的不均匀模式。时间景观模型弥补了这种变化，但宇宙学标准模型没有。最后的结果是，时间景观宇宙观估算的当前哈勃常数更高。这解释了哈勃张力，因为空洞中发生了额外的膨胀。

时间景观概念的关键时刻即将到来。在未来五年内，宇宙学家将获得更多、更好的数据集。威尔特希尔表示，这些数据集将能够一劳永逸地将他的时间景观模型和ΛCDM模型区分开来。这些数据集包括位于美国亚利桑那州的暗能量光谱仪的观测结果，以及欧洲航天局欧几里得空间望远镜和智利薇拉·鲁宾天文台的观测数据。

欧几里得空间望远镜正在绘制星系的三维结构图。薇拉·鲁宾天文台今年将开始自己的大规模宇宙观测活动。它将成为发现超新星的机器。牛津大学研究星系演化的伊莫金·惠塔姆说：“这两者都是游戏规则的改变者——在观测宇宙星系的背景下，这绝对是一个巨大的飞跃。”

所有这一切都意味着，宇宙学的未来暂时悬而未决。但至少威尔特希尔并不介意等待。他说：“到这个十年结束时，我们将知道答案。”

来源/参考消息网，原标题《英媒：时间景观揭开宇宙膨胀谜团》

编译/马丹

编辑/宋皓薇