1998年，天文学家发现，我们的宇宙不只像过去所认为的那样在膨胀，而是在加速膨胀！这个发现完全出乎意料，因为由于星系和星系团之间的引力作用，宇宙的膨胀应该随着时间逐渐变慢，但真实情况却并非如此。
为了破解宇宙加速膨胀之谜，科学家就需要对一些基本的物理学定律进行检验，其中就包括爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论。在太阳系中，广义相对论已经被极好地验证了。因此，科学家试图在更大的宇宙尺度上检验该理论的有效性。
在一项新发表于《自然·通讯》的研究中，一个国际研究团队将由暗能量巡天收集的数据与爱因斯坦的理论预测进行了比较。他们发现在宇宙史上的不同时期，存在着细微的差异。这项新的研究挑战了爱因斯坦理论在宇宙尺度上的有效性。
时间与空间的形变
根据爱因斯坦的理论，宇宙会因为物质而发生形变。这些由天体引力引起的形变被称为“引力井”。当光穿过这种不平整的弯曲结构时，它们的轨迹就会被这些井弯曲，类似穿过玻璃透镜时的效应。只不过在这种情况下，使光弯曲的是引力，而非玻璃。这种现象被称为“引力透镜效应”。
观测这种“光的弯曲”有助于我们更深入地了解宇宙的组成和膨胀史。对这一现象的首次测量是在1919年的一次日食期间开展的。当时，根据爱因斯坦的预测，光的偏折会是牛顿（Issac Newton）理论预测结果的两倍。而观测结果证实了爱因斯坦的理论预测。
1919年，天文学家利用日食测量了遥远星光在经过太阳附近时发生的偏折效应。
两个理论之间的差异源自于爱因斯坦的预测中引入的一个新的、关键的元素：光的偏折除了是由空间形变造成的之外，还与时间的形变有关。宇宙几何空间和时间畸变的总和被称为外尔势（Weyl potential）。它提供了一种直接的方法来检验广义相对论的有效性。
理论 vs 数据
爱因斯坦的理论在宇宙的边缘仍然成立吗？
在新的研究中，通过暗能量巡天的数据，研究人员为这个问题提供了新的见解。他们直接测量了时间和空间的畸变，并将他们的发现与理论预测进行了比较。
暗能量巡天是一个绘制了数亿个星系的形状的项目。到目前为止，由它所收集的数据一直被用来测量宇宙中物质的分布。这些数据使科学家能够深入遥远的太空，从而探索宇宙遥远的过去。
这次，研究人员分析了35亿年前、56亿年前、60亿年前和70亿年前四个不同宇宙时期的1亿个星系。这些测量数据可以揭示外尔势在宇宙史的一半以上时间里是如何演变的。
研究结果表明，在六七十亿年前，外尔势的大小与爱因斯坦的预测非常吻合；然而，在更接近今天的35亿~50亿年前，外尔势比爱因斯坦预测的要弱一点。也正是在这一时期，宇宙的膨胀开始加速。
因此，研究人员推测，宇宙的加速膨胀和较弱的外尔势这两种现象背后的答案，可能是相同的：引力在大尺度上可能受到了有别于爱因斯坦的理论的、不同的物理学定律的支配。
挑战爱因斯坦？
目前的研究结果足以引发物理学家的兴趣，但还不足以称爱因斯坦的理论失效。因此接下来，物理学家们需要进行更精确的测量来证实或驳斥这些初步结果，然后才能判断爱因斯坦的理论在宇宙尺度下是否仍然有效。
现在，研究团队正准备分析于一年前发射的欧几里得空间望远镜收集的新数据。在太空中对宇宙进行观测的欧几里得，对引力透镜的测量将会更加精确。此外，据预计，在为期6年的任务中，欧几里得将对大约15亿个星系进行观测。这将使科学家能够更精确地测量时空的畸变，帮助我们回顾更久远的时间，并最终检验爱因斯坦的理论。
#创作团队：
编译：不二北斗
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.unige.ch/medias/en/2024/les-equations-deinstein-se-heurtent-aux-mysteres-de-lunivers
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53363-6
#图片来源：
封面图&首图：ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi