阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论在描述恒星和行星的引力方面非常成功，但它似乎并不适用于所有尺度。
宇宙中的一切都有引力——并且也能感觉到。然而，这一所有基本力中最常见的力也是对物理学家提出最大挑战的力。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论 在描述恒星和行星的引力方面非常成功，但它似乎并不适用于所有尺度。
广义相对论已经通过了多年的观测检验，从 1919 年爱丁顿对太阳偏转星光的测量到最近对引力波的探测。然而，当我们试图将其应用于量子力学定律运行的极小距离，或者当我们试图描述整个宇宙时，我们的理解就会出现差距。
我们发表在《自然天文学》(Nature Astronomy)上的新研究现已在最大尺度上检验了爱因斯坦的理论。我们相信我们的方法有一天可能会帮助解决宇宙学中一些最大的谜团，结果暗示广义相对论可能需要在这个规模上进行调整。
模型有问题？
量子理论预测真空中充满了能量。我们没有注意到它的存在，因为我们的设备只能测量能量的变化而不是总量。
然而，根据爱因斯坦的说法，真空能量具有排斥引力——它将真空空间推开。有趣的是，在 1998 年，人们发现宇宙的膨胀实际上正在加速（这一发现获得了 2011 年诺贝尔物理学奖）。然而，解释加速所必需的真空能量或暗能量的数量比量子理论预测的要小许多数量级。
因此，被称为“旧宇宙学常数问题”的大问题是，真空能量是否真的具有引力——施加引力并改变宇宙的膨胀。
如果是，那为什么它的引力比预测的要弱得多？如果真空根本不引力，宇宙加速的原因是什么？
我们不知道暗能量是什么，但我们需要假设它存在以解释宇宙的膨胀。同样，我们还需要假设存在一种被称为暗物质的不可见物质，以解释星系和星团如何演变成我们今天观察到的样子。
这些假设融入了科学家的标准宇宙学理论，称为 lambda 冷暗物质 (LCDM) 模型——表明宇宙中有 70% 的暗能量、25% 的暗物质和 5% 的普通物质。这个模型非常成功地拟合了宇宙学家在过去 20 年中收集的所有数据。
但事实上，宇宙的大部分是由黑暗的力量和物质组成的，取了没有意义的奇数值，这一事实促使许多物理学家怀疑爱因斯坦的引力理论是否需要修改以描述整个宇宙。
几年前出现了一个新的转折点，当时很明显，测量宇宙膨胀率（称为哈勃常数）的不同方法会给出不同的答案——一个称为哈勃张力的问题。
分歧或张力存在于哈勃常数的两个值之间。一个是 LCDM 宇宙学模型预测的数字，该模型的开发是为了匹配大爆炸（宇宙微波背景辐射）遗留下来的光。另一个是通过观察遥远星系中称为超新星的爆炸恒星测量的膨胀率。
对于修改 LCDM 以解释哈勃张力的方法，已经提出了许多理论想法。其中包括替代引力理论。
挖掘答案
我们可以设计测试来检查宇宙是否遵守爱因斯坦理论的规则。广义相对论将引力描述为空间和时间的弯曲或翘曲，弯曲了光和物质传播的路径。重要的是，它预测光线和物质的轨迹应该以同样的方式被引力弯曲。
我们与一组宇宙学家一起检验广义相对论的基本定律。我们还探讨了修改爱因斯坦的理论是否有助于解决宇宙学的一些开放性问题，例如哈勃张力。
为了查明广义相对论在大尺度上是否正确，我们首次着手同时研究它的三个方面。这些是宇宙的膨胀、引力对光的影响以及引力对物质的影响。
使用称为贝叶斯推理的统计方法，我们根据这三个参数在计算机模型中通过宇宙历史重建了宇宙的引力。我们可以使用来自普朗克卫星的宇宙微波背景数据、超新星目录以及 SDSS和 DES望远镜对遥远星系的形状和分布的观测来估算参数。然后，我们将重建与 LCDM 模型（本质上是爱因斯坦模型）的预测进行了比较。
我们发现了可能与爱因斯坦的预测不匹配的有趣线索，尽管统计显着性很低。这意味着引力在大尺度上仍有可能以不同方式起作用，并且广义相对论可能需要调整。
我们的研究还发现，仅靠改变引力理论很难解决哈勃张力问题。完整的解决方案可能需要宇宙学模型中的新成分，在大爆炸后质子和电子首次结合形成氢之前存在，例如特殊形式的暗物质、早期类型的暗能量或原始能量磁场。或者，也许数据中存在未知的系统错误。
也就是说，我们的研究表明，可以使用观测数据来检验广义相对论在宇宙学距离上的有效性。虽然我们还没有解决哈勃问题，但几年后我们将从新探测器获得更多数据。
这意味着我们将能够使用这些统计方法继续调整广义相对论，探索修改的极限，为解决宇宙学中的一些开放挑战铺平道路。