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新的引力理论可能排除暗物质的存在

2024-09-04科学

敦大学学院教授的论文称「摇摆不定的」时空可以解释宇宙膨胀和银河系旋转,这 可能从理论上排除了暗物质的必然存在


美国宇航局哈勃太空望远镜观测得出的推断暗物质图的洋红色团块

根据传统科学观点,暗物质应该占宇宙质量的 85%。但是,一种激进的新引力理论的支持者认为,时空是「不稳定的」,他们的理论可能会让这种难以捉摸的暗物质的认知变得过时。
一篇新论文概述了这一命题,提出了一个有争议的可能性:暗物质从未被直接观察到,是物理学界相当一部分人几十年来一直在追逐的幻象。虽然这一理论被认为是相当离谱的,并且尚未经过彻底的检验,但最新的理论在物理学界引起了轰动。

伦敦大学学院的乔纳森·奥本海姆教授在 X 上语出惊人宣布了他的的引力理论可以解释宇宙膨胀和银河系旋转,而无基于需暗物质或暗能量。

暗物质存在多种证据,但其性质仍是一个谜,大型强子对撞机的搜索也无功而返。去年,欧洲航天局启动了一项名为「欧几里得」的任务,旨在绘制暗物质的宇宙地图。

这篇尚未经过同行评审的最新论文发表在 Arxiv 网站上,提出了暗物质是否存在的问题,并将暗物质与过去有缺陷的概念相提并论,例如「以太」,一种被认为渗透到整个空间的无形物质。

文章指出:在没有任何直接证据证明暗能量或暗物质的情况下,很自然地想知道它们是不是不必要的科学结构,如天球、以太或瓦肯行星,所有这些都被更简单的解释所取代,我们可能长期被重力所迷惑。

在这种情况下,人们提出的更简单的解释是奥本海姆的「经典引力的后量子理论」。这位伦敦大学学院的教授在过去五年中一直在开发这一方法,旨在统一现代物理学的两大支柱:量子理论和爱因斯坦的广义相对论,这两个理论从根本上是不相容的。

奥本海姆的理论认为时空结构是平滑连续的(经典的),但本质上是摇摆不定的。时间流动的速度会像潺潺的溪流一样随机波动,空间会随意扭曲,时间会在宇宙的不同区域出现分歧。该理论还设想了可预测性的内在崩溃。

奥本海姆声称,这种对宇宙的看法可以解释对旋转星系的里程碑式观察,这些观察导致了暗物质的「发现」。根据可见物质,星系边缘的恒星引力最弱,因此它们的旋转速度应该比中心的恒星慢。但实际上,恒星的轨道运动并没有减弱。

在奥本海姆的方法中,保持恒星在轨道上运转所需的额外能量是由时空的随机波动提供的,这实际上增加了引力的背景噪音。在高重力相互作用下,例如地球绕太阳公转,这种噪音可以忽略不计。但在低重力情况下,例如星系的边缘,这种现象将占主导地位——并且累积起来可以解释宇宙中的大部分能量。

奥本海姆称他的理论,它无需暗物质或暗能量就能解释宇宙膨胀和星系旋转曲线。然而,他还需要保持谨慎,因为还有其他间接证据证明暗物质的存在,因此需要进一步计算并与数据进行比较。但如果它成立,那么宇宙中 95% 的能量似乎归因于时空的不稳定性质,这表明物理学的可预测性从根本上崩溃,或者我们正处于一个不遵循经典或量子理论定律的环境中。

但并非所有人都相信,包括著名理论家卡洛·罗韦利教授和杰夫·佩宁顿教授,他们与奥本海姆签订了一份 5,000:1 的赔率赌注,赌他的理论不会被证明正确。

佩宁顿说:「我认为物理学家探索多种方法来解决非常困难的问题是件好事,比如将量子力学与引力结合起来。」

「但就我个人而言,我认为这种方法不太可能是正确的。在这方面,我显然已经说到做到,而且最近的报纸上没有任何新消息可以让我改变这种评估。」

其他人则更加热情。「我认为作者们正在探索一些非常有趣的东西,探索一些美丽而新颖的想法,」伦敦大学学院宇宙学家安德鲁·庞岑教授说。「然而,替代暗物质的挑战在于,有太多不同的证据表明它的存在。到目前为止,他们只解决了其中一条线索。只有时间才能证明新的想法是否能真正解释指向暗物质的大量现象。」

对于科学、特别是物理学,不断出现的一种理论推翻另一种理论(即使是最经典的理论)是我们更正确认识宇宙自然的必然过程。其中的反反复复,恰恰说明了我们探索自然的奥秘从来就不是「一帆风顺」的,因为对于自然科学,往往是我们知道的越多,却发现带给我们的「不知道」也变得越多,因为物质世界留给我们的奥秘实在是太多、太深奥了。

过早地「扼杀」一种具有挑战性的新理论,或「禁锢」在一种传统理论里,都有可能使我们失去正确理解自然世界的机会。