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新的重力理論可能排除暗物質的存在

2024-09-04科學

敦大學學院教授的論文稱「搖擺不定的」時空可以解釋宇宙膨脹和銀河系旋轉,這 可能從理論上排除了暗物質的必然存在


美國國家航空暨太空總署哈伯太空望遠鏡觀測得出的推斷暗物質圖的洋紅色團塊

根據傳統科學觀點,暗物質應該占宇宙品質的 85%。但是,一種激進的新重力理論的支持者認為,時空是「不穩定的」,他們的理論可能會讓這種難以捉摸的暗物質的認知變得過時。
一篇新論文概述了這一命題,提出了一個有爭議的可能性:暗物質從未被直接觀察到,是物理學界相當一部份人幾十年來一直在追逐的幻象。雖然這一理論被認為是相當離譜的,並且尚未經過徹底的檢驗,但最新的理論在物理學界引起了轟動。

倫敦大學學院的強納生·奧本海姆教授在 X 上語出驚人宣布了他的的重力理論可以解釋宇宙膨脹和銀河系旋轉,而無基於需暗物質或暗能量。

暗物質存在多種證據,但其性質仍是一個謎,大型強子對撞機的搜尋也無功而返。去年,歐洲航天局啟動了一項名為「歐幾裏得」的任務,旨在繪制暗物質的宇宙地圖。

這篇尚未經過同行評審的最新論文發表在 Arxiv 網站上,提出了暗物質是否存在的問題,並將暗物質與過去有缺陷的概念相提並論,例如「以太」,一種被認為滲透到整個空間的無形物質。

文章指出:在沒有任何直接證據證明暗能量或暗物質的情況下,很自然地想知道它們是不是不必要的科學結構,如天球、以太或瓦肯行星,所有這些都被更簡單的解釋所取代,我們可能長期被重力所迷惑。

在這種情況下,人們提出的更簡單的解釋是奧本海姆的「經典重力的後量子理論」。這位倫敦大學學院的教授在過去五年中一直在開發這一方法,旨在統一現代物理學的兩大支柱:量子理論和愛因史坦的廣義相對論,這兩個理論從根本上是不相容的。

奧本海姆的理論認為時空結構是平滑連續的(經典的),但本質上是搖擺不定的。時間流動的速度會像潺潺的溪流一樣隨機波動,空間會隨意扭曲,時間會在宇宙的不同區域出現分歧。該理論還設想了可預測性的內在崩潰。

奧本海姆聲稱,這種對宇宙的看法可以解釋對旋轉星系的裏程碑式觀察,這些觀察導致了暗物質的「發現」。根據可見物質,星系邊緣的恒星重力最弱,因此它們的旋轉速度應該比中心的恒星慢。但實際上,恒星的軌域運動並沒有減弱。

在奧本海姆的方法中,保持恒星在軌域上運轉所需的額外能量是由時空的隨機波動提供的,這實際上增加了重力的背景噪音。在高重力交互作用下,例如地球繞太陽公轉,這種噪音可以忽略不計。但在低重力情況下,例如星系的邊緣,這種現象將占主導地位——並且累積起來可以解釋宇宙中的大部份能量。

奧本海姆稱他的理論,它無需暗物質或暗能量就能解釋宇宙膨脹和星系旋轉曲線。然而,他還需要保持謹慎,因為還有其他間接證據證明暗物質的存在,因此需要進一步計算並與數據進行比較。但如果它成立,那麽宇宙中 95% 的能量似乎歸因於時空的不穩定性質,這表明物理學的可預測性從根本上崩潰,或者我們正處於一個不遵循經典或量子理論定律的環境中。

但並非所有人都相信,包括著名理論家卡洛·羅韋利教授和傑夫·佩寧頓教授,他們與奧本海姆簽訂了一份 5,000:1 的賠率賭註,賭他的理論不會被證明正確。

佩寧頓說:「我認為物理學家探索多種方法來解決非常困難的問題是件好事,比如將量子力學與重力結合起來。」

「但就我個人而言,我認為這種方法不太可能是正確的。在這方面,我顯然已經說到做到,而且最近的報紙上沒有任何新訊息可以讓我改變這種評估。」

其他人則更加熱情。「我認為作者們正在探索一些非常有趣的東西,探索一些美麗而新穎的想法,」倫敦大學學院宇宙學家安德魯·龐岑教授說。「然而,替代暗物質的挑戰在於,有太多不同的證據表明它的存在。到目前為止,他們只解決了其中一條線索。只有時間才能證明新的想法是否能真正解釋指向暗物質的大量現象。」

對於科學、特別是物理學,不斷出現的一種理論推翻另一種理論(即使是最經典的理論)是我們更正確認識宇宙自然的必然過程。其中的反反復復,恰恰說明了我們探索自然的奧秘從來就不是「一帆風順」的,因為對於自然科學,往往是我們知道的越多,卻發現帶給我們的「不知道」也變得越多,因為物質世界留給我們的奧秘實在是太多、太深奧了。

過早地「扼殺」一種具有挑戰性的新理論,或「禁錮」在一種傳統理論裏,都有可能使我們失去正確理解自然世界的機會。