新證據表明，廣義相對論無需修正

本文來自微信公眾號：原理（ID：principia1687），作者：不二北鬥，題圖來自：AI生成

為什麼宇宙在加速膨脹？這是宇宙學中最重大的謎團之一。為瞭解釋這一現象，宇宙學家們提出了一些相互競爭的理論都在試圖解釋這一現象。

例如，一種理論認為，是未知的暗能量以某種方式驅動了宇宙的加速膨脹，將星系越拉越開。還有一種理論認為，引力在更大的宇宙尺度上有著不同的作用方式，因此需要對愛恩斯坦的廣義相對論在更大的尺度上進行修正。

由70多個機構的900多名科學家組成的暗能量光譜儀（DESI）合作組，試圖為這個令人困惑的問題提供解答。現在，他們發佈了一份新的數據分析報告：通過分析近600萬個星繫在110億年的宇宙史中是如何聚集的，他們在迄今為止的最大尺度上對廣義相對論進行了檢驗，結果表明觀測到的引力的行為，與廣義相對論的預測結果一致。

11月19日，他們在學術論文預印網站arXiv上提交了一系列論文，分享了他們最新的研究結果。

最大尺度的檢驗

引力塑造了我們現在的宇宙。這種將物質吸引在一起的力，將存在於早期宇宙中物質數量的微小差異，演變成我們今天看到的雜亂無章的星系鏈。

根據廣義相對論，引力是時空彎曲的結果。它告訴我們，像太陽這樣的大質量天體會使時空結構彎曲，從而導致地球繞其旋轉。自一個多世紀前被提出後，物理學家一直在試圖找到廣義相對論失效的情況。這一理論在太陽系的尺度上已經得到了很好的檢驗，因此，物理學家一直試圖在更大的尺度上檢驗它的有效性。

DESI可以同時捕獲來自5000個星系的光，使研究人員能夠追蹤宇宙結構在過去110億年中是如何增長的，幫助科學家瞭解引力在非常大的尺度上是如何運作的。僅在第一年，DESI就在數量和質量上超過了以往所有同類測量，對宇宙結構的增長進行了最精確的全面測量，超越了之前花費數十年時間所做的努力。

位於亞利桑那州基特峰國家天文台的DESI。憑藉著DESI配備的5000個微型機器人「眼睛」，研究人員能夠看到110億年前的宇宙。圖為2023年雙子座流星雨期間。（圖/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Sparks）

今年4月，DESI合作組就根據DESI的第一年數據，以前所未有的精度繪製了星系和類星體，創造了迄今為止最大的宇宙3D圖。當時，研究人員重點關注了星系團的一個特殊特徵——重子聲學振盪（BAO）。他們發現，有跡象表明，暗能量可能隨著時間的推移而變化。

在新發佈的這一系列研究中，研究人員進一步對DESI的第一年數據進行了分析。他們分析了由DESI繪製的近600萬個星系和類星體，對星系形成的速率，宇宙中的物質如何在引力的影響下運動，以及星系團等大規模結構如何因引力而演變進行了研究。

通過將DESI的結果與其他實驗的數據集相結合，研究人員得出結論——星系聚集的方式與廣義相對論的預測一致。此外，最新的分析也與4月的發現一致，即暗能量不是恒定的，而是動態的，這是關於宇宙加速的一個非常重要的結果。

值得一提的是，最新的研究還為中微子的質量提供了新的上限。中微子是唯一一種質量尚未被精確測量的基本粒子。過往的中微子實驗表明，三種中微子的質量總和應該至少為0.059 eV/c²（這非常微小，相比之下，電子的質量約為511000 eV/c²）。現在，DESI的最新結果表明，它們三者之和應該小於0.071eV/c²——這樣的結果為中微子質量所擁有的值留下了一個非常狹窄的範圍。

靜候佳音

雖然這些新的結果並沒有完全排除其他修正引力理論，但它們再一次為我們的主要宇宙模型提供了檢驗，並為可能的修正引力理論提供了新的限制。這些新的分析拓寬了從數據中提取更多信息的範圍，測量了星系和物質在太空中的不同尺度上的分佈。與之前的研究一樣，它運用了一種能直到最後才向科學家揭示結果的技術，以此來減輕任何無意識的偏倚。

DESI實驗已經進行了5年，現在已經是第4年。研究人員計劃在項目結束時，將收集大約4000萬個星系和類星體的數據。目前，合作組正在分析前三年收集的數據，並期望在3月份的《美國物理學會會議》上展示關於暗能量和宇宙膨脹史的最新測量結果。

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