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翻譯：蔡賀菁

校對(duì)：王婧彧 申振宇

審核：李宜驊

美編：張榮娜

后臺(tái)：李子琦

https://phys.org/news/2025-12-universe-lopsided.html#goog_rewarded

這張由美國(guó)宇航局/歐洲航天局/加拿大航天局 詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像，重新呈現(xiàn)了天空中最具標(biāo)志性的區(qū)域之一——哈勃超深空?qǐng)?/p>

圖源：歐洲航天局/韋伯望遠(yuǎn)鏡、美國(guó)宇航局與加拿大航天局、G. ?stlin、P. G. Perez-Gonzalez、J. Melinder、JADES合作團(tuán)隊(duì)、MIDIS合作團(tuán)隊(duì)、M. Zamani（歐洲航天局/韋伯望遠(yuǎn)鏡）

宇宙的形狀并非我們常思考的問(wèn)題。一項(xiàng)新研究表明，宇宙可能具有不對(duì)稱性或不平衡性，這意味著宇宙在不同方向上的結(jié)構(gòu)并不相同。

我們?cè)撽P(guān)心這個(gè)問(wèn)題嗎？當(dāng)前描述整個(gè)宇宙動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)的“標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型”，是完全建立在宇宙各方向外觀相同（各向同性）且大尺度上均勻（各向等性）的假設(shè)之上。

然而若干矛盾點(diǎn)——即數(shù)據(jù)上的分歧——正對(duì)這種均勻宇宙觀提出挑戰(zhàn)。

剛剛在《現(xiàn)代物理評(píng)論》上發(fā)表的一篇論文探討了其中最顯著的矛盾之一——宇宙雙極異常。我們得出結(jié)論：宇宙雙極異常對(duì)最廣為接受的宇宙描述——標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型（也稱Lambda-CDM模型）提出了巨大挑戰(zhàn)。

那么，宇宙雙極異常究竟是什么？它為何會(huì)成為試圖詳細(xì)闡釋宇宙的理論面臨的重大難題？

宇宙微波背景輻射是大爆炸遺留的輻射

圖源：歐洲航天局/普朗克合作組

讓我們從宇宙微波背景輻射（CMB）說(shuō)起，這是大爆炸遺留的輻射。宇宙微波背景輻射在整個(gè)空間中均勻分布，精度高達(dá)十萬(wàn)分之一。

因此宇宙學(xué)家們有信心運(yùn)用愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論中時(shí)空的“最大對(duì)稱性”描述來(lái)建模宇宙。這種宇宙的對(duì)稱視覺(jué)，即宇宙在任何位置、任何方向都呈現(xiàn)相同狀態(tài)，被稱為“FLRW描述”。

這極大簡(jiǎn)化了愛(ài)因斯坦方程的求解過(guò)程，并構(gòu)成了Lambda-CDM模型的基礎(chǔ)。

但存在幾個(gè)重要的異?，F(xiàn)象，其中包括廣受爭(zhēng)議的哈勃張力。該現(xiàn)象以埃德溫·哈勃命名———他于1929年發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹。

21世紀(jì)初，這一矛盾開(kāi)始從不同數(shù)據(jù)集中顯現(xiàn)，主要源自哈勃太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，近期蓋亞衛(wèi)星數(shù)據(jù)也印證了這一現(xiàn)象。這種矛盾屬于宇宙學(xué)層面的分歧——早期宇宙膨脹速率的測(cè)量值與近期近距離的宇宙測(cè)量結(jié)果存在不一致。

物質(zhì)與宇宙微波背景輻射偶極子不匹配——方向一致（上圖），但振幅不一致（下圖）

圖源：Secrest等人，《現(xiàn)代物理評(píng)論》97卷（2025年）041001期

宇宙雙極異常雖遠(yuǎn)不及哈勃張力受關(guān)注，卻對(duì)我們理解宇宙更為重要。那么它究竟是什么？

在確認(rèn)宇宙微波背景輻射在大尺度上具有對(duì)稱性后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這種大爆炸遺留輻射的波動(dòng)現(xiàn)象。其中最顯著的特征被稱為CMB雙極各向異性——這是宇宙微波背景中最大的溫度差異，表現(xiàn)為空間某側(cè)溫度較高而對(duì)側(cè)較低，溫差約為千分之一。

這種宇宙微波背景輻射的波動(dòng)并未動(dòng)搖宇宙的Lambda-CDM模型。但我們應(yīng)當(dāng)在其他天文數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的波動(dòng)現(xiàn)象。

1984年，喬治·埃利斯與約翰·鮑德溫提出疑問(wèn)：在遙遠(yuǎn)天體（如射電星系和類星體）的空間分布中，是否存在類似的波動(dòng)現(xiàn)象，即“雙極各向異性”？這些天體必須極其遙遠(yuǎn)，因?yàn)榻嚯x天體會(huì)產(chǎn)生虛假的“聚類偶極子”。

若“對(duì)稱宇宙”的FLRW假設(shè)成立，那么遙遠(yuǎn)天體源的這種變化應(yīng)直接由觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射變化決定。該實(shí)驗(yàn)因這兩位天文學(xué)家而得名，稱為埃利斯-鮑德溫測(cè)試。

宇宙微波背景輻射與物質(zhì)分布的變異性若保持一致，將支持標(biāo)準(zhǔn)的Lambda-CDM模型。若存在不一致，則直接挑戰(zhàn)該模型乃至FLRW描述。由于這是項(xiàng)極其精密的檢驗(yàn)，所需的數(shù)據(jù)目錄直至近期才得以建立。

測(cè)試結(jié)果表明宇宙未能通過(guò)埃利斯-鮑德溫測(cè)試。物質(zhì)分布的波動(dòng)與宇宙微波背景輻射的波動(dòng)不匹配。由于地面望遠(yuǎn)鏡與衛(wèi)星觀測(cè)設(shè)備存在顯著差異，且光譜中不同波段的誤差來(lái)源各異，地面射電望遠(yuǎn)鏡與中紅外波段衛(wèi)星觀測(cè)獲得相同結(jié)果這一事實(shí)令人信服。

盡管天文學(xué)界選擇基本忽視宇宙雙極異?，F(xiàn)象，但它由此確立了其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型的重大挑戰(zhàn)地位。

這或許是因?yàn)樵搯?wèn)題帶來(lái)的影響難以被輕松修正。解決之道不僅需要放棄Lambda-CDM模型，更需摒棄FLRW描述本身，重回起點(diǎn)。

然而，隨著歐幾里得衛(wèi)星、SPHEREx衛(wèi)星以及維拉·魯賓天文臺(tái)、平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡等新設(shè)備的投入運(yùn)行，海量數(shù)據(jù)即將涌現(xiàn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，借助機(jī)器學(xué)習(xí)這一人工智能分支的最新進(jìn)展，我們或許很快就能獲得構(gòu)建新宇宙學(xué)模型的突破性見(jiàn)解。

這將對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，更將徹底改變我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。

責(zé)任編輯：周英杰

牧夫新媒體編輯部

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宇宙學(xué)的CDM模型

圖源：NASA/ LAMBDA Archive / WMAP科學(xué)小組

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