第8.8節：ΛCDM 標準宇宙學

目錄 ／ 第8章：EFT將衝擊的範式理論（V5.05）

三步曲目標

幫助你理解：為什麼“ΛCDM”（冷暗物質 + 宇宙學常數）長期被視為標準框架；它在多類觀測與物理學層面遇到的難點；以及 EFT 如何用“能量海—張度地形”的統一語言，替代“暗粒子 + Λ + 度規膨脹”的三件套，同時給出跨探針可檢的線索。

一、現行範式怎麼說

1. 核心主張

• 採用強宇宙學原理與廣義相對論的背景幾何；
• 組成由：冷暗物質（CDM）主導結構生長、普通物質點亮天體、Λ（宇宙學常數）推動晚期加速；
• 紅移—距離關係與宇宙學演化由尺度因數控制（度規膨脹）；
• 少量全域參數即可聯動擬合 CMB 聲學峰、超新星、BAO、弱透鏡與大尺度結構。

2. 為什麼大家喜歡它

• 少參數、高耦合度：用極簡參數集貫穿多種資料；
• 工程穩定：有成熟的數值工具鏈與分析流程；
• 可傳授性強：故事線清晰，教學與傳播成本低。

3. 應該如何理解
   ΛCDM 是一套一階成功的現象學框架：其“Λ”與“CDM 粒子”在微觀上尚未被直接驗證；當逼近更高精度與更寬口徑的資料時，需要借助回饋、系統學或附加自由度維持跨探針自洽。

二、觀測中的難點與爭議

1. 近遠“張力”與距離—增長分歧

• 不同測距路線得到的全域斜率存在體系化差異；
• 用距離類探針擬合的背景外觀，與增長幅度/速率（弱透鏡、團簇、紅移空間畸變）之間常見小幅張力。

2. 小尺度危機與“過早過胖”

• 衛星數量、核心—包層密度形狀、極致緻密矮星系等問題需要強回饋 + 調參；
• 早期宇宙中出現的高品質、成熟度高的星系，效率解釋吃緊。

3. CMB 的大角異常與“鏡頭力度”口徑

• 低多極取向、半球弱不對稱、冷斑等集合存在；
• CMB 透鏡“力度偏好”與弱透鏡/增長口徑並非總能完全合拍。

4. 實體性與自然度

• Λ 的微觀來源難以自然解釋（真空能量落差、巧合問題）；
• CDM 粒子尚未在實驗室或直接探測中確證。

簡短結論

ΛCDM 在一階上極其成功，但當引入方向/環境依賴、增長口徑與小尺度動力學時，逐漸顯露需要“多補丁”才能維持跨探針一致的局面。

三、EFT 的重述與你能感知到的變化

EFT 的一句話

用能量海—張度地形的一張底圖，替代“Λ + CDM 粒子 + 度規膨脹”：

• 紅移只來自兩類張度效應：張度勢紅移（源—受端基準差）與演化型路徑紅移（穿越正在演化的張度地形產生的無色散淨頻移）；
• 額外牽引由統計張度引力（STG）提供，而非暗粒子腳手架；
• 晚期“加速外觀”來自張度背景的緩慢演化在距離與運動帳本上的雙重顯影（見 8.5 節）；
• 早期協同與種子來自高張度緩降與TBN 的選擇性凍結（見 8.3、8.6 節）。

直觀比喻

把宇宙當作一片正在緩緩回松的海：

• 回松帶來抹平與輕微的整體移調（兩類張度紅移）；
• 海面紋理（張度地形）組織物質的聚散，提供結構成長的“看不見的引導線”（STG）；
• 同一張“海面圖”（張度勢底圖）被多種觀測讀出不同側面。

EFT 重述的三點要義

1. 少實體、同底圖

• 不引入“Λ 物質”與“CDM 粒子”；
• 用同一張度勢底圖解釋距離、透鏡、旋轉曲線與結構生長的細節。

2. 解開距離—增長的綁縛

• 距離外觀由兩類張度紅移的時間累積主導；
• 增長外觀由 STG 的溫和改寫主導；
  → 允許二者出現小幅可預期的口徑差，從而緩解既有張力。

3. 殘差成像，拒絕多補丁

• 方向一致與環境隨動的小偏差不再歸入“誤差桶”，而是作為張度地形圖元被同底圖吸納；
• 若需要為不同資料各配一張“補丁圖”，即不支持 EFT 的統一重述。

可檢線索（示例）

• 無色散約束：紅移偏移在光學—近紅外—無線電波段共同移動；若分色漂移顯著，則不支援演化型路徑紅移。
• 取向對齊：超新星哈勃殘差、BAO 尺規微差、弱透鏡大尺度會聚、CMB 低多極在同一優選方向呈同向微偏。
• 一圖多用：用同一張張度勢底圖同時降低（i）CMB 透鏡與弱透鏡殘差；（ii）旋轉曲線外盤牽引與弱透鏡幅度；（iii）強透鏡多像的時間延遲與紅移殘差的協同。
• 環境隨動：穿越超大結構更豐富的視線，距離與透鏡殘差略大；半球—半球對比出現亞百分比級幅度差並與底圖取向一致。
• 早期速成：高紅移緻密星系的出現率與“高張度緩降”的幅度/時程推斷相符。

你可以直觀理解的變化

• 觀點層：從“暗粒子 + Λ + 空間拉伸”的三件套，轉為“同一張張度勢底圖 + 兩類張度紅移 + STG”。
• 方法層：不再壓平殘差，而是以殘差成像構建張度地形，並檢驗一圖多用。
• 預期層：關注方向一致、環境隨動的小圖樣與無色散特徵，而非僅靠全域參數把所有資料硬捆在一起。

常見誤解的簡短澄清

• EFT 否定 ΛCDM 的成功嗎？ 不。EFT 保留其主要外觀與資料吻合，只是用更少公設的底圖重述原因。
• 這等同於某種“修正引力”或“MOND”嗎？ 不同。EFT 的額外牽引來自統計張度響應（STG），並以同底圖跨探針為核心檢驗標準。
• 不採用度規膨脹還能得到近似哈勃律嗎？ 可以。兩類張度紅移在低紅移下近似線性疊加，回收熟悉的近似關係。
• 沒有 CDM 粒子就無法形成大尺度結構？ 結構的“腳手架”由張度地形 + STG承擔，既能組織生長，也能解釋旋轉曲線與透鏡的刻度關係。

本節小結

ΛCDM 以少參數高擬合貫穿多類觀測，是迄今最成功的零階框架；但當我們把方向/環境殘差、增長口徑與小尺度動力學並置時，它需要越來越多的補丁。EFT 用更簡的本體與同一張度勢底圖重述：

• 距離外觀由張度勢紅移 + 演化型路徑紅移解釋；
• 額外牽引由統計張度引力承擔；
• CMB、透鏡、旋轉曲線與結構生長在一圖多用中對齊。

因此，“ΛCDM 標準宇宙學”從“唯一解釋”降格為可被統一重述的外觀整理，其“必要性”隨之自然消解。