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宇宙缺失质量在哪里?牛津物理学家新理论可破解暗物质之谜

2024-11-24 208

宇宙中最令人崩溃的谜团不外乎暗物质与暗能量,明明占据宇宙总质量 95%,却行踪成谜,摸不清本质。不过现在,牛津大学天体物理学家 Jamie Farnes 提出暗物质与暗能量其实是种随时间不断生成的“负质量”暗流体理论,竟轻松解释了所有疑点。重要的是,这套理论与广义相对论相容,无需颠覆爱因斯坦。

负质量(negative mass)是理论物理学中一种假设的物质形式,其质量正负值与正常物质相反。这里务必要注意的是,“负物质”与“反物质”(antimatter)是完全不同的概念,负物质拥有负质量 / 负能量,但反物质拥有正质量 / 正能量,且反物质与普通物质一样受重力场吸引,但负物质不受重力场吸引,反而受其排斥;也可以说,如果你推动一个负质量物质,它不会顺着你的力量远离,反而会靠近你。

过去已经有科学家提出负物质概念,但过去认为负质量粒子会随着宇宙膨胀而变得稀薄、分散,排斥力也随时间推移变弱,与实际观察到的宇宙正加速膨胀且充满暗物质、暗能量结果矛盾,科学家只好将理论丢到一旁。

现在 Jamie Farnes 稍加修改爱因斯坦的广义相对论,提出新的负物质其实一直随着宇宙膨胀不断生成。此前,稳态理论(Steady State Theory)也假设过新的(正)物质会随着宇宙扩张不断产生,使宇宙符合完美宇宙学原理(Perfect Cosmological Principle),但观察表明该理论不正确;而 Jamie Farnes 修正后指出,稳态理论的假设并不包括负物质在内。

认定暗物质与暗能量都是一种负质量流体后,Jamie Farnes 以此开发一套 3D 电脑模型,看看是否能解释星系的暗物质晕(注)构造。正常来说,星系的旋转速率应该随着与核心距离增加而减少,但实际观测发现,星系外侧旋转速度并未如预期减少,而是与内侧持平,因此科学家提出外侧有暗物质晕填充,方能解释星系外围不至于因过大离心力而脱离。

▲ 典型的螺旋星系自转曲线,预测曲线(A)与观测曲线(B)矛盾。(Source:PhilHibbs [GFDL, CC-BY-SA-3.0 or CC BY-SA 2.0 uk], from Wikimedia Commons)

而 Jamie Farnes 的模拟结果证实,带有正质量物质的星系会从各方向吸引负质量物质(暗物质与暗能量),负物质又对星系施加排斥力,能使星系以更高的速度旋转、不至于撕裂自己。

看起来,这套新理论不需要颠覆爱因斯坦,不需要万有理论或修正牛顿理论(MOND),就可以解释宇宙那些神秘的缺失质量了。

Jamie Farnes 希望可以使用下一代巨型无线电望远镜“平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)”来证实负物质说法,该望远镜阵列正在建造中。如果 Jamie Farnes 的理论正确,我们将能修正目前天文学家广泛认同的宇宙 ΛCDM 模型(LambdaCDM Model),认清暗物质与暗能量的本质:也许我们只是忘记在物质前面加上一个简单的减号。

新论文发表在《天文学和天体物理学》期刊。

注:暗物质晕是环绕在星系外围的暗物质。
  • Bizarre ‘dark fluid’ with negative mass could dominate the universe – what my research suggests
  • Bringing balance to the universe: New theory could explain missing 95 percent of the cosmos
  • MOST OF THE UNIVERSE IS MISSING—A ‘DARK FLUID’ WITH NEGATIVE MASS COULD EXPLAIN WHY

(首图来源:pixabay)

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2019-03-11 13:31:00

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