在宇宙學計算中，幾乎總是假設宇宙中物質的分布是均勻的。這是因為如果把每顆恆星的位置都包括在內，計算就太複雜了。在現實中，宇宙並不統一：在某些地方有恆星和行星，在其他地方只是一片空白。
明斯特大學理論物理研究所和軟納米科學中心 (SoN) 的物理學家 Michael te Vrugt 和 Raphael Wittkowski 教授與法蘭克福高級研究所 (FIAS) 的物理學家 Sabine Hossenfelder 博士一起開發了這個問題的新模型。他們的出發點是 Mori-Zwanzig 形式主義，這是一種描述由大量粒子和少量被測量組成的系統的方法。該研究的結果現已發表在《物理評論快報》雜誌上。
背景：愛因斯坦提出的廣義相對論是現代物理學中最成功的理論之一。過去的五項諾貝爾物理學獎中有兩項與它有關：2017 年的引力波測量獎和 2020 年在銀河系中心發現黑洞的獎。該理論最重要的應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於宇宙中的能量大小。除了可見物質之外，最重要的是暗物質和暗能量在這裡起作用——至少，根據目前在宇宙學中使用的 Lambda-CDM 模型。
「嚴格來說，在廣義相對論方程中包含宇宙能量密度的平均值在數學上是錯誤的，」Sabine Hossenfelder 說。現在的問題是這個錯誤有多「糟糕」。一些專家認為它無關緊要，另一些專家則認為它是暗能量之謎的解決方案，暗能量的物理性質仍然未知。宇宙中質量的不均勻分布可能會影響宇宙膨脹的速度。
「Mori-Zwanzig 形式主義已經成功地應用於從生物物理學到粒子物理學的許多研究領域，」Raphael Wittkowski 說，「因此它也為解決這個天體物理學問題提供了一種很有前途的方法。」 該團隊推廣了這種形式主義，以便將其應用於廣義相對論，並在此過程中推導出宇宙膨脹模型，同時考慮到宇宙中物質的不均勻分布。
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測。該預測與 Lambda-CDM 模型給出的預測略有不同，因此提供了一個通過實驗測試新模型的機會。「目前，天文數據還不夠精確，無法測量這種偏差，」麥可·特·弗魯特 (Michael te Vrugt) 說，「但取得的巨大進步——例如在引力波的測量方面——讓我們有理由希望這種情況會改變。此外，Mori-Zwanzig 形式主義的新變體也可以應用於其他天體物理學問題——因此這項工作不僅與宇宙學有關。」
關注我，了解更多。