最新研究表明，宇宙可能是不對稱的

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翻譯：蔡賀菁

校對：王婧彧 申振宇

審核：李宜驊

美編：張榮娜

后臺：李子琦

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

這張由美國宇航局/歐洲航天局/加拿大航天局 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡拍攝的圖像，重新呈現了天空中最具標志性的區域之一——哈勃超深空場

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

宇宙的形狀并非我們常思考的問題。一項新研究表明，宇宙可能具有不對稱性或不平衡性，這意味著宇宙在不同方向上的結構并不相同。

我們該關心這個問題嗎？當前描述整個宇宙動力學與結構的“標準宇宙學模型”，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）的假設之上。

然而若干矛盾點——即數據上的分歧——正對這種均勻宇宙觀提出挑戰。

剛剛在《現代物理評論》上發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。我們得出結論：宇宙雙極異常對最廣為接受的宇宙描述——標準宇宙學模型（也稱Lambda-CDM模型）提出了巨大挑戰。

那么，宇宙雙極異常究竟是什么？它為何會成為試圖詳細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）說起，這是大爆炸遺留的輻射。宇宙微波背景輻射在整個空間中均勻分布，精度高達十萬分之一。

因此宇宙學家們有信心運用愛因斯坦廣義相對論中時空的“最大對稱性”描述來建模宇宙。這種宇宙的對稱視覺，即宇宙在任何位置、任何方向都呈現相同狀態，被稱為“FLRW描述”。

這極大簡化了愛因斯坦方程的求解過程，并構成了Lambda-CDM模型的基礎。

但存在幾個重要的異常現象，其中包括廣受爭議的哈勃張力。該現象以埃德溫·哈勃命名———他于1929年發現宇宙正在膨脹。

21世紀初，這一矛盾開始從不同數據集中顯現，主要源自哈勃太空望遠鏡觀測，近期蓋亞衛星數據也印證了這一現象。這種矛盾屬于宇宙學層面的分歧——早期宇宙膨脹速率的測量值與近期近距離的宇宙測量結果存在不一致。

物質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，《現代物理評論》97卷（2025年）041001期

宇宙雙極異常雖遠不及哈勃張力受關注，卻對我們理解宇宙更為重要。那么它究竟是什么？

在確認宇宙微波背景輻射在大尺度上具有對稱性后，科學家發現了這種大爆炸遺留輻射的波動現象。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，表現為空間某側溫度較高而對側較低，溫差約為千分之一。

這種宇宙微波背景輻射的波動并未動搖宇宙的Lambda-CDM模型。但我們應當在其他天文數據中發現相應的波動現象。

1984年，喬治·埃利斯與約翰·鮑德溫提出疑問：在遙遠天體（如射電星系和類星體）的空間分布中，是否存在類似的波動現象，即“雙極各向異性”？這些天體必須極其遙遠，因為近距離天體會產生虛假的“聚類偶極子”。

若“對稱宇宙”的FLRW假設成立，那么遙遠天體源的這種變化應直接由觀測到的宇宙微波背景輻射變化決定。該實驗因這兩位天文學家而得名，稱為埃利斯-鮑德溫測試。

宇宙微波背景輻射與物質分布的變異性若保持一致，將支持標準的Lambda-CDM模型。若存在不一致，則直接挑戰該模型乃至FLRW描述。由于這是項極其精密的檢驗，所需的數據目錄直至近期才得以建立。

測試結果表明宇宙未能通過埃利斯-鮑德溫測試。物質分布的波動與宇宙微波背景輻射的波動不匹配。由于地面望遠鏡與衛星觀測設備存在顯著差異，且光譜中不同波段的誤差來源各異，地面射電望遠鏡與中紅外波段衛星觀測獲得相同結果這一事實令人信服。

盡管天文學界選擇基本忽視宇宙雙極異常現象，但它由此確立了其對標準宇宙學模型的重大挑戰地位。

這或許是因為該問題帶來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。

然而，隨著歐幾里得衛星、SPHEREx衛星以及維拉·魯賓天文臺、平方公里陣列望遠鏡等新設備的投入運行，海量數據即將涌現。可以預見，借助機器學習這一人工智能分支的最新進展，我們或許很快就能獲得構建新宇宙學模型的突破性見解。

這將對基礎物理學產生深遠影響，更將徹底改變我們對宇宙的認知。

責任編輯：周英杰

牧夫新媒體編輯部

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宇宙學的CDM模型

圖源：NASA/ LAMBDA Archive / WMAP科學小組

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