第8.8节：ΛCDM 标准宇宙学

目录 ／ 第8章：EFT将冲击的范式理论

三步曲目标

帮助读者理解：为什么“ΛCDM”（冷暗物质 + 宇宙学常数）长期被视为标准框架；它在多类观测与物理学层面遇到的难点；以及 EFT 如何用“能量海—张度地形”的统一语言，替代“暗粒子 + Λ + 度规膨胀”的三件套，同时给出跨探针可检的线索。

一、现行范式怎么说

1. 核心主张

• 采用强宇宙学原理与广义相对论的背景几何；
• 组成由：**冷暗物质（CDM）**主导结构生长、普通物质点亮天体、**Λ（宇宙学常数）**推动晚期加速；
• 红移—距离关系与宇宙学演化由尺度因子控制（度规膨胀）；
• 少量全局参数即可联动拟合 CMB 声学峰、超新星、BAO、弱透镜与大尺度结构。

2. 为什么大家喜欢它

• 少参数、高耦合度：用极简参数集贯穿多种数据；
• 工程稳定：有成熟的数值工具链与分析流程；
• 可传授性强：故事线清晰，教学与传播成本低。

3. 应该如何理解
   ΛCDM 是一套一阶成功的现象学框架：其“Λ”与“CDM 粒子”在微观上尚未被直接验证；当逼近更高精度与更宽口径的数据时，需要借助反馈、系统学或附加自由度维持跨探针自洽。

二、观测中的难点与争议

1. 近远“张力”与距离—增长分歧

• 不同测距路线得到的全局斜率存在体系化差异；
• 用距离类探针拟合的背景外观，与增长幅度/速率（弱透镜、团簇、红移空间畸变）之间常见小幅张力。

2. 小尺度危机与“过早过胖”

• 卫星数量、核心—包层密度形状、极致致密矮星系等问题需要强反馈 + 调参；
• 早期宇宙中出现的高质量、成熟度高的星系，效率解释吃紧。

3. CMB 的大角异常与“镜头力度”口径

• 低多极取向、半球弱不对称、冷斑等集合存在；
• CMB 透镜“力度偏好”与弱透镜/增长口径并非总能完全合拍。

4. 实体性与自然度

• Λ 的微观来源难以自然解释（真空能量落差、巧合问题）；
• CDM 粒子尚未在实验室或直接探测中确证。

简短结论

ΛCDM 在一阶上极其成功，但当引入方向/环境依赖、增长口径与小尺度动力学时，逐渐显露**需要“多补丁”**才能维持跨探针一致的局面。

三、EFT 的重述与读者能感知到的变化

EFT 的一句话

用能量海—张度地形的一张底图，替代“Λ + CDM 粒子 + 度规膨胀”：

• 红移只来自两类张度效应：张度势红移（源—受端基准差）与演化型路径红移（穿越正在演化的张度地形产生的无色散净频移）；
• 额外牵引由**统计张度引力（STG）**提供，而非暗粒子脚手架；
• 晚期“加速外观”来自张度背景的缓慢演化在距离与运动账本上的双重显影（见 8.5 节）；
• 早期协同与种子来自高张度缓降与TBN 的选择性冻结（见 8.3、8.6 节）。

直观比喻

把宇宙当作一片正在缓缓回松的海：

• 回松带来抹平与轻微的整体移调（两类张度红移）；
• **海面纹理（张度地形）**组织物质的聚散，提供结构成长的“看不见的引导线”（STG）；
• 同一张“海面图”（张度势底图）被多种观测读出不同侧面。

EFT 重述的三点要义

1. 少实体、同底图

• 不引入“Λ 物质”与“CDM 粒子”；
• 用同一张度势底图解释距离、透镜、旋转曲线与结构生长的细节。

2. 解开距离—增长的绑缚

• 距离外观由两类张度红移的时间累积主导；
• 增长外观由 STG 的温和改写主导；
  → 允许二者出现小幅可预期的口径差，从而缓解既有张力。

3. 残差成像，拒绝多补丁

• 方向一致与环境随动的小偏差不再归入“误差桶”，而是作为张度地形像素被同底图吸纳；
• 若需要为不同数据各配一张“补丁图”，即不支持 EFT 的统一重述。

可检线索（示例）

• 无色散约束：红移偏移在光学—近红外—无线电波段共同移动；若分色漂移显著，则不支持演化型路径红移。
• 取向对齐：超新星哈勃残差、BAO 标尺微差、弱透镜大尺度会聚、CMB 低多极在同一优选方向呈同向微偏。
• 一图多用：用同一张张度势底图同时降低（i）CMB 透镜与弱透镜残差；（ii）旋转曲线外盘牵引与弱透镜幅度；（iii）强透镜多像的时间延迟与红移残差的协同。
• 环境随动：穿越超大结构更丰富的视线，距离与透镜残差略大；半球—半球对比出现亚百分比级幅度差并与底图取向一致。
• 早期速成：高红移致密星系的出现率与“高张度缓降”的幅度/时程推断相符。

读者可以直观理解的变化

• 观点层：从“暗粒子 + Λ + 空间拉伸”的三件套，转为“同一张张度势底图 + 两类张度红移 + STG”。
• 方法层：不再压平残差，而是以残差成像构建张度地形，并检验一图多用。
• 预期层：关注方向一致、环境随动的小图样与无色散特征，而非仅靠全局参数把所有数据硬捆在一起。

常见误解的简短澄清

• EFT 否定 ΛCDM 的成功吗？ 不。EFT 保留其主要外观与数据吻合，只是用更少公设的底图重述原因。
• 这等同于某种“修正引力”或“MOND”吗？ 不同。EFT 的额外牵引来自统计张度响应（STG），并以同底图跨探针为核心检验标准。
• 不采用度规膨胀还能得到近似哈勃律吗？ 可以。两类张度红移在低红移下近似线性叠加，回收熟悉的近似关系。
• 没有 CDM 粒子就无法形成大尺度结构？ 结构的“脚手架”由张度地形 + STG承担，既能组织生长，也能解释旋转曲线与透镜的刻度关系。

本节小结

ΛCDM 以少参数高拟合贯穿多类观测，是迄今最成功的零阶框架；但当我们把方向/环境残差、增长口径与小尺度动力学并置时，它需要越来越多的补丁。EFT 用更简的本体与同一张度势底图重述：

• 距离外观由张度势红移 + 演化型路径红移解释；
• 额外牵引由统计张度引力承担；
• CMB、透镜、旋转曲线与结构生长在一图多用中对齐。

因此，“ΛCDM 标准宇宙学”从“唯一解释”降格为可被统一重述的外观整理，其“必要性”随之自然消解。