宇宙膨胀

宇宙学中最大的谜团之一是宇宙膨胀的速度。这可以用宇宙学的标准模型来预测，该模型也称为ΛCDM冷暗物质模型。

该模型基于对大爆炸遗留的光——即所谓的宇宙微波背景辐射（CMB）的详细观测。

宇宙的膨胀导致星系彼此远离。距离我们越远，它们远离的速度就越快。

星系速度与距离之间的关系由“哈勃常数”决定，其值约为每秒每百万秒差距（天文学中的长度单位）43英里（70公里）。这意味着，星系距离我们每增加一百万光年，其速度就会增加约每小时5万英里。

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但遗憾的是，对于标准模型而言，这个数值最近受到了质疑，导致了科学家所说的“哈勃张力”。当我们利用附近的星系和超新星（爆炸的恒星）来测量宇宙膨胀率时，它比我们基于宇宙微波背景辐射预测的膨胀率高出10%。

在我们的新论文中，我们提出了一种可能的解释：我们生活在一个巨大的太空空洞中（一个密度低于平均水平的区域）。我们证明，物质从这个空洞向外流出，可能会导致局部测量值偏高。

当空洞周围密度较大的区域将其拉开时，就会产生外流——它们产生的引力比空洞内部密度较小的物质更大。

在这种情况下，我们需要位于半径约十亿光年的空洞中心附近，密度比整个宇宙的平均密度低约 20%——因此并非完全空无一物。

如此巨大而深邃的宇宙空洞在标准模型中是出乎意料的，因此也引发了争议。宇宙微波背景辐射（CMB）展现了早期宇宙的结构快照，表明如今的物质分布应该相当均匀。然而，直接统计不同区域的星系数量确实表明我们身处一个局部空洞之中。

宇宙物质

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修改万有引力定律

我们想通过假设我们生活在一个巨大的空洞中，这个空洞是由早期宇宙中一个较小的密度波动发展而来，从而将许多不同的宇宙学观测结果进行匹配，以此来进一步检验这个想法。

为此，我们的模型没有采用 ΛCDM，而是采用了一种称为修正牛顿动力学 (MOND) 的替代理论。

MOND理论最初是为了解释星系旋转速度的异常现象而提出的，这也导致了“暗物质”这种不可见物质的假设。而MOND理论则认为，当引力非常弱时（例如星系外围区域的情况），牛顿万有引力定律失效，这可以解释这些异常现象。

在MOND模型中，宇宙的整体膨胀历史与标准模型相似，但结构（例如星系团）在MOND模型中增长速度更快。我们的模型描绘了MOND宇宙中局部宇宙的可能形态。我们发现，该模型会导致我们今天对宇宙膨胀率的局部测量结果随地理位置而波动。

近期对星系的观测使得我们能够对基于不同位置速度预测的模型进行一项至关重要的全新检验。这可以通过测量所谓的整体流来实现，它指的是给定球体（无论密度高低）内物质的平均速度。整体流随球体半径而变化，近期观测表明，这种变化一直持续到十亿光年之外。

有趣的是，在这个尺度上，星系的整体流动速度是标准模型预期值的四倍。而且，它似乎随着所考虑区域尺寸的增大而增加——这与标准模型的预测相反。这种情况与标准模型相符的可能性低于百万分之一。

这促使我们去探究我们的研究对整体流动的预测结果。我们发现预测结果与观测结果相当吻合。这要求我们非常接近空隙中心，并且空隙中心最为稀疏。

宇宙大爆炸

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结案了吗？

我们的研究结果出炉之际，一些流行的解决哈勃定律难题的方案正面临困境。一些人认为我们只需要更精确的测量。另一些人则认为，只要假设我们局部测量到的高膨胀率实际上是正确的，这个问题就能迎刃而解。

但这样就需要对早期宇宙的膨胀历史稍作调整，才能使宇宙微波背景辐射看起来仍然正确。

遗憾的是，一篇颇具影响力的评论文章指出了这种方法的七个问题。如果宇宙在绝大多数宇宙历史时期膨胀速度比现在快10%，那么它的年龄也会年轻约10%——这与最古老恒星的年龄相矛盾。

星系数量计数中存在深而广的局部空洞，以及观测到的快速整体流动，强烈表明在数千万到数亿光年的尺度上，ΛCDM 中的结构增长速度比预期的要快。

有趣的是，我们知道巨大的星系团“大胖星系团”（El Gordo）形成于宇宙历史的早期，其质量和碰撞速度也过高，与标准模型不符。这进一步证明，该模型中结构的形成速度过慢。

由于引力是如此大尺度上的主导力，我们很可能需要扩展爱因斯坦的引力理论——广义相对论——但仅限于大于一百万光年的尺度。

然而，我们目前还没有有效的方法来测量引力在大尺度上的行为——因为不存在如此巨大的引力束缚天体。我们可以假设广义相对论仍然有效，并将其与观测结果进行比较，但正是这种方法导致了我们目前最佳宇宙学模型所面临的诸多严峻挑战。

人们认为爱因斯坦曾说过，我们不能用导致问题产生的思维方式来解决问题。即便所需的改变并非翻天覆地，我们或许也正在见证一个多世纪以来首个可靠的证据，表明我们需要修正引力理论。