「我们的结果让我惊讶,因为它打破了之前的许多认知。」哥本哈根大学天体物理学家海涅森(Asta Heinesen)在最新预印本论文中这样写道。她和团队用AI重新分析了宇宙学数据,得出一个可能颠覆百年假设的结论:宇宙大尺度结构远比我们想象的更"疙瘩",更不均匀。

如果这一发现最终被证实,现代宇宙学的根基——FLRW模型——将需要重写。几乎所有天文观测都建立在这个模型之上,从暗能量到宇宙加速膨胀,无一不依赖它的"宇宙各处大致相同"这一核心假设。

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FLRW:百年宇宙学的"默认设置"

1920年代,四位物理学家弗里德曼、勒梅特、罗伯逊和沃克各自独立推导出一套描述宇宙的数学框架。后人以他们姓氏首字母命名:FLRW模型。

这个模型的核心是两个简化假设:均匀性(homogeneous)和各向同性(isotropic)。简单说,就是认为在足够大的尺度上,宇宙看起来差不多,无论从哪个方向看都一样。

cosmologists(宇宙学家)无法逐个描述数万亿星系,必须用统计平均来建模。FLRW就是这个"平均化"工具——把宇宙当作一碗搅拌均匀的粥,忽略局部的小疙瘩。

近一个世纪以来,几乎所有宇宙学观测都用FLRW来解释。宇宙微波背景、超新星测距、大尺度结构巡天,数据流入这个模型,流出对暗能量密度、哈勃常数的估计。

但问题也在累积。同一批观测数据,用不同方法算出的哈勃常数相差近10%。暗能量的本质始终模糊。这些"宇宙学危机"让一些研究者怀疑:也许不是数据错了,而是模型本身太粗糙。

新检测方法:让数据自己"说话"

伦敦玛丽女王大学的克利夫顿(Timothy Clifton)与海涅森在第一篇预印本中提出了一个关键创新:不预设FLRW成立,直接检验它。

他们的思路很巧妙。宇宙学中有一类"距离测量"——超新星的光度距离、物质密度涨落对应的角直径距离等。在FLRW框架下,这些距离之间存在严格的数学关系,特定组合必须精确等于零。

「这些组合被精心设计为:如果FLRW模型成立,结果就应该是零。」克利夫顿解释。任何非零结果,都意味着宇宙的真实几何偏离了FLRW的假设。

类似检验以前也有人尝试过,但都没给出明确信号。问题出在分析方法:过去的处理流程在提取距离数据时,已经悄悄嵌入了FLRW的假设。用FLRW的数据检验FLRW,当然看不出毛病。

克利夫顿和海涅森的新方法绕过了这个循环论证。他们设计了完全独立于FLRW的数据处理流程,让观测结果能够真正"背叛"模型本身。

AI上场:符号回归挖出隐藏公式

真正执行检验的是另外两位研究者。海涅森与南丹麦大学的科克斯邦(Sofie Marie Koksbang)在第二、三篇预印本中,把新方法用到了真实数据上。

难点在于:如何从观测中提取那些距离测量,同时不依赖FLRW?现有的分析工具全是围绕FLRW开发的,每一步都在强化那个假设。

团队转向了一种AI技术:symbolic regression(符号回归)。与传统机器学习给出黑箱预测不同,符号回归的目标是发现简洁的数学公式——用可解释的表达式拟合数据规律。

他们让算法在庞大的数学表达式空间中搜索,找出最能拟合观测距离的组合形式。这些AI生成的公式随后被用于构建检验FLRW的统计量。

结果是清晰的非零信号。

「这表明FLRW模型存在缺陷。」海涅森说。数据与百年假设之间出现了统计学上的偏离,尽管尚未达到宇宙学"发现"所需的严格阈值。

克利夫顿的解读更直接:「这暗示宇宙可能不像看起来那么简单。」他认为这可能是FLRW不够用的首个证据,「打开了充满新可能性的世界」。

"疙瘩宇宙"意味着什么

如果宇宙大尺度上真的不均匀,会发生什么?

首先,暗能量问题可能换个解法。当前观测到的宇宙加速膨胀,在FLRW框架下需要引入神秘的排斥性成分——暗能量,占宇宙总质能的68%。但如果空间本身的几何更复杂,某些"加速"效应可能只是不均匀结构造成的视觉错觉,而非真实的宇宙膨胀在加快。

其次,哈勃常数危机或有新解。用早期宇宙数据(宇宙微波背景)和晚期宇宙数据(超新星、造父变星)测出的哈勃常数不一致,被称为"哈勃张力"。FLRW假设下这是难以调和的矛盾;但在更复杂的宇宙模型中,不同位置、不同时期的测量本就预期不同,"张力"可能是真实信号而非系统误差。

第三,宇宙学进入"后平均"时代。FLRW的核心是抹平细节,用均匀背景近似真实结构。如果这种近似失效,研究者可能需要发展新的数学工具,直接处理不均匀时空的演化——计算量将暴增,但物理图像可能更准确。

海涅森和克利夫顿都强调,目前结果还只是"暗示性"的。要达到5σ的发现标准,需要更多天文数据。下一代巡天项目——如薇拉·鲁宾天文台的时空遗产巡天、欧几里得卫星的深度星系测绘——将在未来几年提供海量新观测。

一个模型的黄昏,还是新物理的黎明

FLRW模型百年来的成功不是偶然。它用极致的简化捕捉了宇宙最粗粒度的特征,让宇宙学从哲学思辨变成精密科学。但所有模型都有适用范围,FLRW的边界可能正在显现。

有趣的是,这次挑战来自方法论层面的创新:用AI发现数据中的隐藏结构,用独立于假设的数据处理打破循环论证。这提示了一个更广泛的转变——当传统理论工具触及天花板,机器学习可能帮助研究者跳出固有框架,看到模型偏见所遮蔽的信号。

宇宙是否真的更"疙瘩"?答案还在数据里。但检验本身已经证明:百年假设可以被质疑,而且正在被质疑。

如果最终证实FLRW需要修正,我们这一代研究者将见证宇宙学基础的重写。如果证伪,这次"虚惊"也将留下宝贵的方法遗产——一种不依赖模型假设、让数据直接说话的分析范式。

下一代巡天数据正在路上。届时,宇宙会给出它的最终裁决吗?