新宇宙学模型的提出：一种考虑了物理常数和光子能量的理论
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我们如何知道宇宙有多大、多老、由什么组成、如何演化？这些问题是现代物理学和天文学的核心课题，也是人类对自身存在的探索。为了回答这些问题，我们需要建立一个能够描述和预测宇宙各种现象的数学模型，也就是所谓的宇宙学模型。
目前，最广泛接受和使用的宇宙学模型是ΛCDM模型。这个模型基于爱因斯坦的广义相对论，假设宇宙是均匀且各向同性的，并且由两种主要成分组成：普通物质和暗物质。普通物质是我们能够直接或间接观测到的物质，比如星星、行星、气体、尘埃等。暗物质是一种我们还不知道具体性质的物质，但是我们可以通过其引力效应推断其存在。暗物质占据了宇宙物质总量的大约85%，而普通物质只占15%。 除了物质之外，ΛCDM模型还假设存在一种神秘的能量形式，叫做暗能量。暗能量与物质不同，它具有负的压强，并且随着空间膨胀而增加。暗能量导致了宇宙加速膨胀的现象，也就是说，越远的星系离我们越快。暗能量占据了宇宙总能量密度的大约70%，而物质（包括普通物质和暗物质）只占30%。 ΛCDM模型还包含了一些重要的参数，比如哈勃常数，它描述了空间膨胀的速率；密度参数，它们描述了各种成分在总能量密度中所占的比例；功率谱指数，它描述了原初扰动在不同尺度上的强度。这些参数不能从理论上推导出来，而是需要通过观测数据来确定。 ΛCDM模型已经成功地解释了许多关于宇宙的观测数据，比如：微波背景辐射、Ia型超新星、宇宙大尺度结构等。但是它也面临着一些挑战和困惑，比如我们还不知道暗物质和暗能量究竟是什么，它们是如何产生和作用的，以及为什么它们在现在的时代占据了绝大部分的能量密度。 还有哈勃冲突：这是指不同方法测量哈勃常数得到的结果之间存在着明显的不一致；不可能的早期星系：JWST对高红移区域（即早期宇宙）所观测到的一些异常成熟和庞大的星系，这些星系存在于大爆炸后不到3亿年的时期，按照ΛCDM模型的预测，这个时期的星系应该还处于原始和未发育的状态，而不可能拥有如此复杂和丰富的结构和质量。
新的理论模型为了解决不可能的早期星系问题，有一些新的理论模型被提出，它们对ΛCDM模型进行了一些修正或扩展。在这里，我将介绍两种模型，分别是CCC模型（covarying coupling constants model）和CCC TL模型（CCC plus tired light model）。 CCC模型 CCC模型是基于这样一个假设，即宇宙中的一些基本物理常数，比如引力常数、质子质量等，是随着时间而变化的。这个假设最早由狄拉克提出，他认为引力常数和宇宙年龄成反比。后来，其他的理论也尝试了不同的变化规律，比如标量-张量理论、变光速理论等。 CCC模型采用了一个特殊的度规，叫做修正的FLRW度规。这个度规是在标准的FLRW度规（也就是ΛCDM模型所用的度规）的基础上，加入了一个因子，这个因子包含了引力常数和质子质量的函数。这样，引力常数和质子质量就可以随着时间而变化，而不是固定不变的。 利用这个修正的FLRW度规，我们可以得到相应的爱因斯坦方程和弗里德曼方程，它们描述了宇宙的动力学行为。在这些方程中，我们可以看到一个新的项，它类似于宇宙学常数，但是它也是随着时间而变化的。这意味着暗能量不再是一个常数，而是一个动态的量。我们可以把这个新的项叫做动态宇宙学常数。 CCC模型有几个优点：它可以很好地拟合Ia型超新星的数据，得到与ΛCDM模型相近的结果；它可以解释哈勃张力问题，因为它预测了一个更大的哈勃常数，约为75 km/s/Mpc；它可以延长宇宙的年龄，使之达到26.7亿年，而不是13.7亿年。这样，就给早期星系形成提供了更多的时间。 但是，CCC模型也有一个缺点：它不能解释JWST观测到的早期星系的尺寸问题。按照CCC模型的预测，早期星系应该比观测到的更大。为了解决这个问题，我们需要引入另一个理论，叫做疲劳光理论(tired light model)。
CCC TL模型 疲劳光理论是由齐威基（Zwicky）提出的一种替代红移解释的理论。红移是指远方星系发出的光在到达我们时，波长变长，颜色变红的现象。按照ΛCDM模型的解释，红移是由于空间膨胀导致光波被拉伸所致。但是齐威基提出了另一种可能性，即光子在穿越巨大的空间距离时，会逐渐失去能量，并且这个能量损失与光子的波长成正比。这样，光子的波长就会变长，产生红移效应。这种理论叫做疲劳光理论，因为光子就像是疲劳了一样。 疲劳光理论有一个好处，就是它可以解释JWST观测到的早期星系的尺寸问题。因为如果光子的能量损失与波长成正比，那么光子的角动量也会随之减小。这意味着光子的偏振方向会发生变化，从而导致观测到的图像发生畸变。具体来说，图像会变得更小、更暗、更模糊。这正是JWST观测到的早期星系的特征。 但是，疲劳光理论也有一个缺点，就是它不能很好地解释CMB的各向同性问题。因为如果光子在传播过程中不断失去能量，那么CMB的温度就应该随着方向而变化，而不是像观测到的那样非常均匀。 为了解决这个问题，我们需要把疲劳光理论和CCC模型结合起来，形成一个新的模型，叫做CCC TL模型。这个模型假设光子在传播过程中既会受到空间膨胀的影响，也会受到能量损失的影响。这样，我们就可以同时解释Ia型超新星、哈勃冲突、早期星系和CMB的观测数据。 |
