最新研究表明，宇宙可能是不对称的

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翻译：蔡贺菁

校对：王婧彧 申振宇

审核：李宜骅

美编：张荣娜

后台：李子琦

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

这张由美国宇航局/欧洲航天局/加拿大航天局 詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的图像，重新呈现了天空中最具标志性的区域之一——哈勃超深空场

图源：欧洲航天局/韦伯望远镜、美国宇航局与加拿大航天局、G. Östlin、P. G. Perez-Gonzalez、J. Melinder、JADES合作团队、MIDIS合作团队、M. Zamani（欧洲航天局/韦伯望远镜）

宇宙的形状并非我们常思考的问题。一项新研究表明，宇宙可能具有不对称性或不平衡性，这意味着宇宙在不同方向上的结构并不相同。

我们该关心这个问题吗？当前描述整个宇宙动力学与结构的“标准宇宙学模型”，是完全建立在宇宙各方向外观相同（各向同性）且大尺度上均匀（各向等性）的假设之上。

然而若干矛盾点——即数据上的分歧——正对这种均匀宇宙观提出挑战。

刚刚在《现代物理评论》上发表的一篇论文探讨了其中最显著的矛盾之一——宇宙双极异常。我们得出结论：宇宙双极异常对最广为接受的宇宙描述——标准宇宙学模型（也称Lambda-CDM模型）提出了巨大挑战。

那么，宇宙双极异常究竟是什么？它为何会成为试图详细阐释宇宙的理论面临的重大难题？

宇宙微波背景辐射是大爆炸遗留的辐射

图源：欧洲航天局/普朗克合作组

让我们从宇宙微波背景辐射（CMB）说起，这是大爆炸遗留的辐射。宇宙微波背景辐射在整个空间中均匀分布，精度高达十万分之一。

因此宇宙学家们有信心运用爱因斯坦广义相对论中时空的“最大对称性”描述来建模宇宙。这种宇宙的对称视觉，即宇宙在任何位置、任何方向都呈现相同状态，被称为“FLRW描述”。

这极大简化了爱因斯坦方程的求解过程，并构成了Lambda-CDM模型的基础。

但存在几个重要的异常现象，其中包括广受争议的哈勃张力。该现象以埃德温·哈勃命名———他于1929年发现宇宙正在膨胀。

21世纪初，这一矛盾开始从不同数据集中显现，主要源自哈勃太空望远镜观测，近期盖亚卫星数据也印证了这一现象。这种矛盾属于宇宙学层面的分歧——早期宇宙膨胀速率的测量值与近期近距离的宇宙测量结果存在不一致。

物质与宇宙微波背景辐射偶极子不匹配——方向一致（上图），但振幅不一致（下图）

图源：Secrest等人，《现代物理评论》97卷（2025年）041001期

宇宙双极异常虽远不及哈勃张力受关注，却对我们理解宇宙更为重要。那么它究竟是什么？

在确认宇宙微波背景辐射在大尺度上具有对称性后，科学家发现了这种大爆炸遗留辐射的波动现象。其中最显著的特征被称为CMB双极各向异性——这是宇宙微波背景中最大的温度差异，表现为空间某侧温度较高而对侧较低，温差约为千分之一。

这种宇宙微波背景辐射的波动并未动摇宇宙的Lambda-CDM模型。但我们应当在其他天文数据中发现相应的波动现象。

1984年，乔治·埃利斯与约翰·鲍德温提出疑问：在遥远天体（如射电星系和类星体）的空间分布中，是否存在类似的波动现象，即“双极各向异性”？这些天体必须极其遥远，因为近距离天体会产生虚假的“聚类偶极子”。

若“对称宇宙”的FLRW假设成立，那么遥远天体源的这种变化应直接由观测到的宇宙微波背景辐射变化决定。该实验因这两位天文学家而得名，称为埃利斯-鲍德温测试。

宇宙微波背景辐射与物质分布的变异性若保持一致，将支持标准的Lambda-CDM模型。若存在不一致，则直接挑战该模型乃至FLRW描述。由于这是项极其精密的检验，所需的数据目录直至近期才得以建立。

测试结果表明宇宙未能通过埃利斯-鲍德温测试。物质分布的波动与宇宙微波背景辐射的波动不匹配。由于地面望远镜与卫星观测设备存在显著差异，且光谱中不同波段的误差来源各异，地面射电望远镜与中红外波段卫星观测获得相同结果这一事实令人信服。

尽管天文学界选择基本忽视宇宙双极异常现象，但它由此确立了其对标准宇宙学模型的重大挑战地位。

这或许是因为该问题带来的影响难以被轻松修正。解决之道不仅需要放弃Lambda-CDM模型，更需摒弃FLRW描述本身，重回起点。

然而，随着欧几里得卫星、SPHEREx卫星以及维拉·鲁宾天文台、平方公里阵列望远镜等新设备的投入运行，海量数据即将涌现。可以预见，借助机器学习这一人工智能分支的最新进展，我们或许很快就能获得构建新宇宙学模型的突破性见解。

这将对基础物理学产生深远影响，更将彻底改变我们对宇宙的认知。

责任编辑：周英杰

牧夫新媒体编辑部

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宇宙学的CDM模型

图源：NASA/ LAMBDA Archive / WMAP科学小组

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