一個難題已經困擾了科學界十年：宇宙以什么速度膨脹?

到目前為止，至少有兩種獨立的計算方法得出了兩個相差約10%的值，其偏差在統計上是不可調和的。

近日，一項發(fā)表在《物理快報B》(Physics Letters B)雜志上的新方法在沒有使用任何“新物理”的情況下消除了這種差異。

一位來自日內瓦大學(UNIGE)的理論物理學家提出假設稱，地球、太陽系、整個銀河系，以及離我們最近的幾千個星系，都在一個直徑為2.5億光年的巨大“氣泡”中運動，其中物質的平均密度是宇宙其他部分的一半。

自從138億年前大爆炸以來，宇宙就一直在膨脹。大爆炸是由比利時教士和物理學家喬治·勒梅特(Georges Lemaitre, 1894-1966)首先提出的一個命題，是由埃德溫·哈勃(Edwin Hubble, 1889-1953)首次證明的。

美國天文學家在1929年發(fā)現，每個星系都在離我們越來越遠，距離最遠的星系移動速度最快。

這表明在過去有一段時間，所有的星系都位于同一地點，這個時間只能與大爆炸相對應。

這項研究產生了哈勃-勒梅特定律，包括哈勃常數(H0)，它表示宇宙的膨脹率。

目前對H0的最佳估計是70 (km/s)/Mpc(這意味著宇宙每326萬光年以每秒70公里的速度擴張)。

問題是有兩種相互矛盾的計算方法。

第一種是基于宇宙微波背景輻射:這是一種來自四面八方的微波輻射，在宇宙變冷到足以讓光自由流通的時候發(fā)射出來(大爆炸后約37萬年)。

利用普朗克空間任務提供的精確數據，并考慮到宇宙是均勻和各向同性的事實，用愛因斯坦的廣義相對論計算H0的值為67.4。

第二種計算方法是基于偶爾出現在遙遠星系中的超新星。這些非常明亮的事件為觀測者提供了高度精確的距離，這種方法使得確定H0為74的值成為可能。

UNIGE科學院理論物理系的教授Lucas Lombriser解釋道:“這兩個值在多年的時間里變得越來越精確，但同時又保持著一定的差異。沒多久就引發(fā)了一場科學上的爭論，甚至喚起了我們可能正在研究一種‘新物理學’的激動人心的希望。”

為了縮小這一差距，Lombriser教授提出了一個觀點，即宇宙并不像以前科學家們所聲稱的那樣是均勻的，這個假設在相對較小的范圍內似乎是顯而易見的。

毫無疑問，物質在星系內的分布與在星系外不同。然而，很難想象以比星系大幾千倍的體積計算的物質平均密度的波動。

“哈勃氣泡”

“如果我們處在一個巨大的‘氣泡’中，”Lombriser教授繼續(xù)說，“物質的密度比整個宇宙的已知密度要低得多，這將對超新星的距離產生影響，并最終決定H0。”

所有這一切都將需要這個“哈勃氣泡”足夠大，包括作為測量距離參考的星系。

通過建立一個直徑為2.5億光年的氣泡模型，物理學家計算出，如果內部物質的密度比宇宙其他部分的密度低50%，那么哈勃常數就會得到一個新的值，這個值與用宇宙微波背景得到的值一致。

Lombriser教授說，“在這個范圍內出現這種波動的概率是1 / 20到1 / 5，這意味著不是理論家的幻想。在浩瀚的宇宙中，有很多地方和我們一樣。”

“百家爭鳴”的宇宙理論

關于宇宙如何誕生，目前存在許多不同的理論試圖解釋它。

此前，發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的一篇論文認為，就像海浪浪尖上的一點泡沫，我們可觀測到的宇宙可能不過是一個不斷膨脹到更高維度的氣泡邊緣上的一片碎片。

這種理論試圖將弦理論的數學與暗能量的現實調和起來。許多弦理論的假象宇宙都缺乏暗能量的存在。

這篇論文的作者之一、瑞典烏普薩拉大學(Uppsala University)的理論物理學家Ulf Danielsson表示，目前為止在弦理論中提出的用來描述暗能量的模型存在數學問題。

Danielsson說，基本的問題是，控制弦理論的方程表明，任何具有我們這種暗能量的宇宙都應該迅速衰減并消失。

他和他的同事們建立了一個模型，在這個模型中，導致這些暗能量滲透的宇宙衰變的過程，實際上推動了從多個維度產生的氣泡的膨脹。

我們生活在這些不斷膨脹的氣泡的邊界內，“暗能量……通過我們所生活的氣泡壁與更高維度之間的相互作用，以一種微妙的方式被誘發(fā)出來，”Danielsson在一篇描述新理論的博客文章中寫道。

根據Danielsson的觀點，宇宙誕生時的大爆炸變成了泡沫開始膨脹的時刻。我們宇宙中的粒子只是延伸到額外維度的弦的端點。

但其他研究人員并不買賬。德國法蘭克福高等研究所的物理學家Sabine Hossenfelder表示:“這是一個沒有任何實驗證據支持的數學虛構。”

“弦理論家們提出了似乎無窮無盡的數學結構，它們與觀測沒有已知的關系。” Hossenfelder說。

參考文獻：

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200320192753.htm

https://www.livescience.com/64417-universe-sits-on-extradimensional-bubble.html

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