重新评估宇宙红移：关于不均匀性与不可逆过程的洞见

理解宇宙的膨胀仍是基本物理学中的深刻挑战。面对复杂、非均匀流动下的广义相对论方程求解难题，宇宙学模型被迫依赖于在均匀FLRW背景下使用扰动理论。该方法将光的红移分为来自光子轨迹上的宇宙背景膨胀以及因发射时特殊运动引起的多普勒效应。然而，这种红移计算方法缺乏协变性，因其依赖于特定坐标选择，可能扭曲运动相对性的物理解释。在本研究中，我们指出，沿时类测地线追踪的特殊运动，必须通过局部体积膨胀因子贡献光的红移，除去背景膨胀。通过采用协变的红移计算方法，我们探讨了仅凭宇宙原理是否能保证平均局部体积膨胀因子等于背景膨胀。我们证明，这一点仅在演化可逆的情景下成立，即非均匀的膨胀与压缩模式相互抵消。在不可逆过程（如大尺度压缩模式通过物质virial化及相关熵增产生）存在时，平均膨胀因子将由无法再被压缩模式抵消的空洞膨胀所主导。我们的分析表明，非均匀过程产生的熵增在结构形成期间发挥与有效、随时间变化的宇宙常数（即动态暗能量）相同作用。