在科學領域，最偉大的革命往往是由最小的差異引發的。16世紀，哥白尼根據當時許多人認為深奧的天體運動細節，提出地球實際上並非宇宙的中心。在我們自己的時代，另一場革命在15年前開始展開，那就是加速宇宙的發現。爆發恆星亮度的微小偏差使天文學家得出結論，他們不知道宇宙的70%是由什麼組成的。他們只能說，空間中充滿了與眾不同的物質——一種推動宇宙膨脹而不是阻止宇宙膨脹的物質。這種物質被稱為暗能量。
暗能量的存在仍然令人困惑，以至於一些宇宙學家正在重新審視導致他們得出這個結論的基本假設。其中之一是早期革命的產物：哥白尼原則，即地球在宇宙中不處於中心或任何特殊的位置。如果我們拋棄這個基本原則，就會出現一個令人驚訝的不同景象，可以解釋這些觀測結果。
我們大多數人都非常熟悉這樣的想法，即我們的星球只不過是一顆圍繞著一顆普通恆星執行的小小塵埃，位於一個平平無奇的星系的邊緣附近。在由數十億個星系組成的宇宙中，這些星系延伸到我們的宇宙視界，我們被引導相信我們的位置沒有什麼特別或獨特之處。但是，這種宇宙謙遜的證據是什麼？如果我們確實處於一個特殊的位置，我們又如何才能知道呢？天文學家通常會忽略這些問題，認為我們自身的平庸性足夠明顯，無需進一步討論。對於許多人來說，考慮我們實際上可能在宇宙中擁有一個特殊位置的想法是不可思議的。然而，這正是世界各地一些小型物理學家小組最近一直在考慮的事情。
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具有諷刺意味的是，假設我們自己微不足道，這賦予了宇宙學家巨大的解釋力。它使我們能夠從我們在我們自己的宇宙鄰域中看到的東西推斷到整個宇宙。人們在構建基於宇宙學原理的宇宙最先進模型方面做出了巨大的努力——宇宙學原理是哥白尼原則的推廣，它指出在任何時間點，空間中的所有點和方向看起來都相同。結合我們對空間、時間和物質的現代理解，宇宙學原理意味著空間正在膨脹，宇宙正在變得更冷，並且它充滿了來自其熾熱開端的遺蹟——這些預測都得到了觀測的證實。
例如，天文學家發現，來自遙遠星系的光比來自附近星系的光更紅。這種被稱為紅移的現象被巧妙地解釋為空間膨脹對光波的拉伸。此外，微波探測器揭示了來自非常早期的幾乎完美光滑的輻射幕簾：宇宙微波背景，這是原始火球的遺蹟。可以公平地說，這些成功部分是我們自身謙遜的結果——我們對自己重要性的假設越少，我們就能對宇宙說得越多。
黑暗逼近
那麼為什麼要打破現狀呢？如果宇宙學原理如此成功，我們為什麼要質疑它呢？問題在於，最近的天文觀測已經產生了一些非常奇怪的結果。天文學家發現，對於給定的紅移，遙遠的超新星爆發看起來比預期的要暗。紅移測量的是空間膨脹的量。透過測量來自遙遠超新星的光的紅移量，宇宙學家可以推斷出爆炸時宇宙比今天的大小小多少。紅移越大，超新星發生時宇宙越小，因此宇宙自那時以來膨脹得越多。
超新星的觀測亮度提供了它與我們距離的度量，這反過來揭示了自它發生以來經過了多少時間。如果一顆具有給定紅移的超新星看起來比預期的要暗，那麼那顆超新星一定比天文學家認為的要遠。它的光到達我們這裡需要更長的時間，因此宇宙必須花費更長的時間才能增長到目前的規模[參見對頁的方框]。因此，宇宙的膨脹率過去一定比之前預期的要慢。事實上，遙遠的超新星足夠暗，以至於宇宙的膨脹一定已經加速，才能趕上目前的膨脹率。
這種加速膨脹是引發當前宇宙學革命的巨大驚喜。宇宙中的物質應該拉扯時空結構，減緩膨脹，但超新星資料表明情況並非如此。如果宇宙學家接受宇宙學原理，並假設這種加速發生在任何地方，我們就會得出結論，宇宙一定滲透著一種奇異的能量形式，即暗能量，它施加一種排斥力。
在物理學家的基本粒子和力標準模型中，沒有出現任何符合暗能量描述的東西。它是一種尚未被直接測量的物質，其性質與我們見過的任何物質都不同，並且其能量密度比我們可能天真地預期的要小約10
120倍。物理學家對它可能是什麼有一些想法，但它們仍然是推測性的。簡而言之，我們對暗能量非常茫然。研究人員正在進行一些雄心勃勃且耗資巨大的任務，以尋找和表徵暗能量。對許多人來說，這是現代宇宙學面臨的最大挑戰。更輕的選擇
面對如此奇怪和看似如此不可能的事情，一些研究人員正在重新審視導致他們得出這個結論的推理。他們質疑的主要假設之一是我們是否生活在宇宙的代表性部分。在傳統的圖景中，我們談論的是整個宇宙的膨脹。這非常像我們談論氣球膨脹時：我們討論的是整個氣球變得有多大，而不是氣球的每個單獨部分膨脹了多少。但我們都有過那些煩人的派對氣球不均勻膨脹的經歷。一個環拉伸得很快，而末端則需要一段時間才能趕上。在宇宙的另一種觀點中，一種拋棄宇宙學原理的觀點中，空間也膨脹不均勻。宇宙的更復雜圖景由此出現。
考慮以下情景，首先由南非開普敦大學的喬治·埃利斯和查爾斯·海拉比以及現在在南非人文科學研究委員會的納齊姆·穆斯塔法提出，隨後由巴黎-默東天文臺的瑪麗-諾埃爾·塞萊裡耶跟進。假設膨脹率在任何地方都在減速，因為物質拉扯時空並使其減速。進一步假設，我們生活在一個巨大的宇宙空洞中——不是一個完全空曠的區域，而是一個物質平均密度僅為其他地方密度的一半或三分之一的區域。空間區域越空，它包含的減緩空間膨脹的物質就越少；因此，空洞內的區域性膨脹率比其他地方更快。膨脹率在空洞中心最快，並向邊緣減小，在那裡，較高密度的外部開始發揮作用。在任何給定時間，空間的各個部分將以不同的速率膨脹，就像不均勻膨脹的派對氣球一樣。
現在想象一下超新星在這個不均勻宇宙的不同部分爆發，一些靠近空洞中心，另一些靠近邊緣，還有一些在空洞之外。如果我們靠近空洞中心，而超新星更遠，那麼我們附近的宇宙膨脹速度比超新星所在位置的宇宙膨脹速度更快。當來自超新星的光向我們傳播時，它會穿過膨脹速度越來越快的區域。每個區域在光線穿過時都會將其拉伸一定量，累積效應會產生我們觀察到的紅移。
在這樣一個宇宙中，光線傳播給定的距離所產生的紅移小於整個宇宙以我們當地的速度膨脹所產生的紅移。相反，為了在這樣的宇宙中實現一定的紅移，光線必須傳播比在均勻膨脹的宇宙中更遠的距離，在這種情況下，超新星必須更遠，因此看起來更暗。
另一種說法是，膨脹率隨位置的變化模仿了時間的變化。透過這種方式，宇宙學家可以在不求助於暗能量的情況下解釋意外的超新星觀測結果。為了使這種替代解釋起作用，我們必須生活在一個真正具有宇宙比例的空洞中。超新星觀測延伸到數十億光年之外，這在整個可觀測宇宙中佔有很大一部分。一個空洞必須具有相似的大小。以（幾乎）任何人的標準來看，都是巨大的。
一個牽強的可能性
那麼這個宇宙空洞有多麼古怪呢？乍一看，非常古怪。它似乎與宇宙微波背景相悖，宇宙微波背景在十萬分之一的程度上是均勻的，更不用說星系的分佈顯然是均勻的了。然而，仔細檢查後，這些證據可能並非如此確鑿。
遺蹟輻射的均勻性僅要求宇宙在每個方向上看起來幾乎相同。如果一個空洞大致呈球形，並且我們位於相當靠近其中心的位置，那麼這些觀測結果不一定排除它。此外，宇宙微波背景具有一些異常特徵，這些特徵可能可以用大規模的不均勻性來解釋[參見下一頁的方框]。
至於星系分佈，現有的巡天範圍不夠遠，無法排除一個能夠模仿暗能量大小的空洞。它們識別出較小的空洞、物質絲狀結構和其他數億光年大小的結構，但假定的空洞要大一個數量級。紐約大學的大衛·霍格及其合作者的分析表明，宇宙中最大的結構約為2億光年大小；在更大的尺度上，物質的分佈似乎是平滑的，符合宇宙學原理。但羅馬恩里科·費米中心的弗朗切斯科·西洛斯·拉比尼及其同事認為，迄今為止發現的最大結構僅受發現它們的星系巡天範圍的限制。更大的結構可能會超出巡天的範圍。
透過類比，假設你有一張顯示10英里寬區域的地圖，地圖上有一條道路從一側延伸到另一側。如果因此得出結論，最長的道路是10英里長，那將是一個錯誤。為了確定最長道路的長度，你需要一張清楚顯示所有道路端點的地圖，這樣你才能知道它們的全部長度。同樣，天文學家需要一個比宇宙中最大結構更大的星系巡天，如果他們要證明宇宙學原理。巡天是否足夠大仍然是一個激烈的爭論主題。
對於理論家來說，一個巨大的空洞也很難接受。所有可用的證據都表明，星系和更大的結構，如絲狀結構和空洞，都是從微觀量子種子中生長出來的，宇宙膨脹將這些種子擴大到天文比例，宇宙學理論對應該存在多少具有一定大小的結構做出了明確的預測。結構越大，它應該越稀有。足夠大到可以模仿暗能量的空洞的機率小於十萬分之一
100。巨大的空洞很可能存在於那裡，但我們在可觀測宇宙中找到一個空洞的機會似乎微乎其微。
不過，還是有一個可能的漏洞。在20世紀90年代早期，早期宇宙標準模型的作者之一安德烈·林德和他在斯坦福大學的合作者表明，儘管巨大的空洞很罕見，但它們早期膨脹得更快，並開始主導宇宙的體積。觀察者發現自己處於這種結構中的可能性可能並非如此微乎其微。這個結果表明，宇宙學原理（我們不生活在一個特殊的地方）並不總是與平庸原則（我們是典型的觀察者）相同。看起來，一個人可以既是典型的，又生活在一個特殊的地方。
測試空洞
哪些觀測可以告訴我們宇宙的膨脹是由暗能量驅動的，還是我們生活在一個特殊的地方，例如在一個巨大的空洞的中心？為了測試是否存在空洞，宇宙學家需要一個關於空間、時間和物質在其附近應如何表現的工作模型。這樣一個模型於1933年由阿貝·喬治·勒梅特制定，一年後由理查德·托爾曼獨立重新發現，並在第二次世界大戰後由赫爾曼·邦迪（於2005年去世）進一步發展。他們設想的宇宙具有不僅取決於時間，而且還取決於距特定點的距離的膨脹率，正如我們現在假設的那樣。
有了勒梅特-托爾曼-邦迪模型，宇宙學家可以對一系列可觀測的量進行預測。首先，考慮一下最初導致推斷暗能量的超新星。天文學家觀察到的超新星越多，他們就能越準確地重建宇宙的膨脹歷史。嚴格來說，這些觀測永遠無法排除空洞模型，因為宇宙學家可以透過選擇形狀合適的空洞來重新建立任何一組超新星資料。然而，為了使空洞與暗能量完全無法區分，它必須具有一些非常奇怪的特性。
原因是假定的加速膨脹一直持續到目前。為了使空洞完全模仿它，膨脹率必須在我們周圍和每個方向上急劇下降。因此，物質和能量的密度必須在我們周圍和每個方向上急劇增加。密度剖面必須看起來像一個倒置的女巫帽，其尖端對應於我們居住的地方。這樣的剖面會與我們對宇宙中結構外觀的所有經驗相悖：已知它們通常是平滑的，而不是尖銳的。更糟糕的是，當時都在康奈爾大學的阿里·範德維爾德和埃安納·弗拉納根表明，帽子的尖端，即我們居住的地方，必須是一個奇點，就像黑洞中心的超緻密區域一樣。
然而，如果空洞具有更真實的、平滑的密度剖面，那麼就會呈現出獨特的觀測特徵。平滑的空洞仍然會產生可能被誤認為是加速的觀測結果，但它們缺乏尖銳性意味著它們不能完全重現與暗能量相同的結果。特別是，表觀加速率隨紅移以一種明顯的特徵方式變化。在一篇與當時在牛津大學的凱特·蘭德合寫的論文中，我們表明，在目前擁有的幾百顆超新星的基礎上，再增加幾百顆新的超新星就足以解決這個問題。超新星觀測任務很有可能很快實現這個目標。
超新星不是唯一可用的可觀測物。1995年，普林斯頓大學的傑里米·古德曼提出了另一種可能的測試，即使用微波背景輻射。當時，暗能量的最佳證據尚未出現，古德曼並非在尋求對任何無法解釋的現象的解釋，而是在尋求哥白尼原則本身的證明。他的想法是使用遙遠的星系團作為鏡子，從不同的位置觀察宇宙，就像一個天上的更衣室。星系團反射一小部分撞擊它們的微波輻射。透過仔細測量這種輻射的光譜，宇宙學家可以推斷出從其中一個星系團觀察宇宙時宇宙會是什麼樣子的一些方面。如果視點的變化改變了宇宙的外觀，那將是空洞或類似結構的有力證據。
後來的兩組宇宙學家對這個想法進行了檢驗。達特茅斯學院的羅伯特·考德威爾和伊利諾伊州巴塔維亞的費米國家加速器實驗室的阿爾伯特·斯特賓斯研究了微波背景中失真的精確測量結果，馬德里自治大學的胡安·加西亞-貝利多和當時在丹麥奧胡斯大學的特羅爾斯·豪格博勒直接觀察了單個星系團。兩個小組都沒有探測到空洞；研究人員所能做的最好的事情是縮小這種空洞可能具有的特性範圍。2009年5月發射的普朗克衛星應該能夠對空洞特性施加更強的限制，並可能完全排除空洞。
開普敦大學的布魯斯·巴塞特、克里斯·克拉克森和特蕾莎·陸提出的第三種方法是對不同位置的膨脹率進行獨立測量。天文學家通常根據紅移來測量膨脹率，紅移是天體與我們之間所有空間區域膨脹的累積效應。透過將所有這些區域歸納在一起，紅移無法區分空間中膨脹率的變化和時間的變化。最好是在特定的空間位置測量膨脹率，將其他位置膨脹的影響分離出來。然而，這是一個困難的命題，尚未完成。一種可能性是觀察不同地方結構的形成方式。星系和星系團的形成和演化在很大程度上取決於當地的膨脹率。透過研究不同位置的這些物體，並考慮在它們的演化中起作用的其他影響，天文學家或許能夠繪製出膨脹率的細微差異。
一個不太特殊的地方
我們生活在一個巨大的宇宙空洞的中間的可能性是對宇宙學原理的一種極端否定，但也有更溫和的可能性。宇宙可能在大尺度上遵守宇宙學原理，但星系巡天發現的較小的空洞和絲狀結構可能共同模仿暗能量的效果。當時都在麥吉爾大學的蒂爾塔比爾·比斯瓦斯和阿萊西奧·諾塔裡，以及當時都在義大利帕多瓦大學和芝加哥大學的瓦萊里奧·馬拉及其合作者，都研究了這種想法。在他們的模型中，宇宙看起來像瑞士乳酪——整體上是均勻的，但佈滿了孔洞。因此，膨脹率在不同的地方略有變化。遙遠超新星發出的光線在到達我們之前會穿過許多這些小空洞，膨脹率的變化會調整它們的亮度和紅移。然而，到目前為止，這個想法看起來不是很有希望。我們中的一位（克利夫頓）與牛津大學的約瑟夫·尊茨一起表明，重現暗能量的效果需要許多密度非常低的空洞，並且以特殊的方式分佈。
另一種可能性是暗能量是宇宙學家經常使用的數學近似的產物。為了計算宇宙的膨脹率，我們通常計算一個空間區域包含多少物質，除以該區域的體積，然後得出平均能量密度。然後，我們將這個平均密度插入到愛因斯坦的引力方程中，並確定宇宙的平均膨脹率。儘管密度因地而異，但我們將這種散射視為圍繞整體平均值的微小波動。
問題在於，求解平均物質分佈的愛因斯坦方程與求解真實物質分佈，然後對結果幾何結構進行平均不同。換句話說，我們先平均再求解，而實際上我們應該先求解再平均。
求解甚至可以粗略地近似真實宇宙的完整方程組是難以想象的困難，因此我們大多數人求助於更簡單的途徑。法國里昂大學的托馬斯·布歇爾特承擔了確定這種近似到底有多好的任務。他在宇宙學方程中引入了一組額外的項，以解釋在求解之前進行平均所引入的誤差。
如果這些項被證明很小，那麼近似是好的；如果它們很大，那就不好。到目前為止，結果尚無定論。一些研究人員認為，額外的項可能足以完全解釋暗能量，而另一些研究人員則聲稱它們可以忽略不計。
觀測測試可能有助於區分暗能量和空洞模型。普朗克航天器以及各種地面和氣球載儀器正在以越來越精細的細節繪製微波背景圖。計劃於2020年建造的平方公里陣列，一個巨大的射電望遠鏡，將為我們提供可觀測視界內所有星系的巡天。
自從本文於2009年4月首次發表以來，我們測試哥白尼原則的能力取得了重大進展。我們與牛津大學的同事菲利普·布林一起，已經能夠將古德曼關於使用星系團作為鏡子的想法與超新星和宇宙微波背景的觀測結果相結合，從而形成對空洞假設的檢驗。儘管一個巨大的空洞可以單獨解釋這些觀測結果中的每一個，但它不能以一致的方式同時解釋所有這些觀測結果。
因此，在哥白尼提出這個觀點大約500年後，我們終於有了一些證據證明我們沒有生活在宇宙的中心點。然而，這並不是故事的結局，世界各地的研究人員仍在繼續努力構建更復雜的宇宙模型和測試，以確定宇宙的幾何結構。