在宇宙學(xué)計(jì)算中，人們總是假設(shè)宇宙中物質(zhì)的分布是均勻的。這是因?yàn)槿绻衙款w恒星的位置都包括在內(nèi)，計(jì)算就太復(fù)雜了。在現(xiàn)實(shí)中，宇宙并不均勻：在某些地方有恒星和行星，在其他地方則是一片空白。

明斯特大學(xué)理論物理研究所和軟納米科學(xué)中心的物理學(xué)家們開發(fā)了這個(gè)問題的新模型。他們的出發(fā)點(diǎn)是 Mori-Zwanzig方程，這是一種描述由大量粒子和少量被測量組成的系統(tǒng)的方法。該研究的結(jié)果現(xiàn)已發(fā)表在《物理評論快報(bào)》雜志上。

愛因斯坦提出的廣義相對論是現(xiàn)代物理學(xué)中最成功的理論之一。過去的五項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中有兩項(xiàng)與它有關(guān)：2017 年的引力波測量獎(jiǎng)和 2020 年在銀河系中心發(fā)現(xiàn)黑洞的獎(jiǎng)。該理論最重要的應(yīng)用之一是描述自大爆炸以來宇宙的宇宙膨脹。這種膨脹的速度取決于宇宙中的能量大小。據(jù)目前在宇宙學(xué)中使用的Lambda-CDM模型，除了可見物質(zhì)之外，最重要的是暗物質(zhì)和暗能量在宇宙膨脹中起作用。

科學(xué)家說：“嚴(yán)格來說，在廣義相對論方程中包含宇宙能量密度的平均值在數(shù)學(xué)上是錯(cuò)誤的”。現(xiàn)在的問題是這個(gè)錯(cuò)誤有多“糟糕”。一些專家認(rèn)為它無關(guān)緊要，另一些專家則認(rèn)為它是暗能量之謎的解決方案，暗能量的物理性質(zhì)仍然未知。宇宙中質(zhì)量的不均勻分布可能會(huì)影響宇宙膨脹的速度。

“Mori-Zwanzig已經(jīng)成功地應(yīng)用于從生物物理學(xué)到粒子物理學(xué)的許多研究領(lǐng)域，”物理學(xué)家說，“因此它也為解決這個(gè)天體物理學(xué)問題提供了一種很有前途的方法。” 該團(tuán)隊(duì)推廣了這種方程，以便將其應(yīng)用于廣義相對論，并在此過程中推導(dǎo)出宇宙膨脹模型，同時(shí)考慮宇宙中物質(zhì)的不均勻分布。

該模型對這些所謂的不均勻性對宇宙膨脹速度的影響做出了具體預(yù)測。該預(yù)測與Lambda-CDM模型給出的預(yù)測略有不同，因此提供了一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)測試新模型的機(jī)會(huì)。目前，天文數(shù)據(jù)還不夠精確，無法測量這種偏差。但取得的巨大進(jìn)步——例如在引力波的測量方面——讓科學(xué)家有理由希望這種情況會(huì)改變。此外，Mori-Zwanzig的新變體也可以應(yīng)用于其他天體物理學(xué)問題——因此這項(xiàng)工作不僅與宇宙學(xué)有關(guān)。

該研究論文題為"Mori-Zwanzig Formalism for General Relativity: A New Approach to the Averaging Problem"，已發(fā)表在《物理評論快報(bào)》期刊上。

關(guān)鍵詞： 愛因斯坦 廣義相對論 相對論 有錯(cuò)誤