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如果不存在暗物质和暗能量呢?英国科学家用负质量取而代之

  在量子力学和广义相对论成功后,物理学上空的乌云不仅没有消散,甚至是越来越多。在1900年的世界物理学大会,大部分与会科学家甚至认为物理学的大厦已经建造完毕,其余该做的是缝缝补补的装修工作。然而光速和黑体辐射问题彻底将经典物理学的大厦捣毁了。随后相对论和量子力学分别解决了光速问题和黑体辐射问题。
  可这就完了吗?
  远远没有,现在物理学的乌云甚至比一百多年还多。比如宇宙中的正反物质不对称,广义相对论与量子力学不兼容,星系的旋转和宇宙加速膨胀问题等。其中星系旋转引申出来暗物质,宇宙加速膨胀引申出了暗能量!
  在上个世纪后半叶,我们有了更先进的天文望远镜观测星系的运动,观测的精细化让我们可以量化星系的物理量。然而棘手的问题来了,用可观测到的物质解释星系的旋转会出现一个矛盾。这个矛盾就是:按照牛顿力学,我们观测到的星系旋转反推出的星系总质量要远小于星系的真实质量。
  这个道理就相当,利用万有引力公式,可以从两个天体的距离和质量推算出引力大小。但反向推理时,从引力数值和天体之间的距离却不能自洽地推算出星体的质量。即便用上更精确地的引力理论—广义相对论也不行。星系的旋转和质量的推算依旧不能在广义相对论中自洽。那问题出现在哪呢?
  现在就有两种解决方式,一种就是直接修改引力理论。把不能自洽的项通过修改参数使其融合。不过这种方式饱受东拼西凑的诟病。引力理论在对其他宇宙现象的预言很精确,比如引力波,时空弯曲等。修改参数只是单纯的为了解决某一问题而敷衍了事的做法。如果一昧修改引力理论,而不去思考更本质的东西,那这样做只会与背后隐藏着更深的自然现象失之交臂。
  于是科学家采用第二种方式解决这一问题,那就是暗物质。首先这玩意肯定不会参加电磁辐射,要不然我们就能观测到它了。如今已经有更多的证据指向暗物质理论的正确性,比如子弹星系团的引力透镜现象。不过单纯的引进暗物质并不能解决宇宙中的另一个问题——加速膨胀
  宇宙正在扩张,这种扩张并且是加速。可是按照引力理论,这种加速在大爆炸之后的极短时间内就应该被引力拉回。但事实却大相径庭,为了解释这种加速扩张,科学家不得不诉诸一种更神秘的物质:暗能量。和暗物质一样,它依旧没有任何方式被观察到,我们更不知道它是什么,但科学共同体一般认为暗物质和暗能量是存在的。
  事实上,我们只是可以肯定暗物质和暗能量一定参与引力作用,除此之外,我们对它们的本质一无所知。
  其实科学界除了认可用暗物质和暗能量解决星系旋转和宇宙加速膨胀的问题外,还有其他理论阐述这些问题。这些理论之间没有谁对谁错之分,只有谁的理论把持更多有力的证据被佐证而已。
  事实上,有一部分科学家对暗物质理论失去了耐心,因为即便付出再多的努力和实验,也并不能揭开暗物质的本质,宇宙貌似永远只留着引力这一个窗口来窥探"暗物质"。按照主流说法,宇宙被72%的暗能量,23%的暗物质和只有5%的普通物质占有。前两者数量之大,且十分神秘。这也导致很多研究人员并不想诉诸于暗物质和暗能量,而另辟蹊径地解释我们的宇宙!
  与大众科学家不同的典型就是牛津天体物理学家杰米▪法恩斯(Jamie Farnes )。
  Jamie Farnes
  他曾经在" 天文学和天体物理学 "杂志上发表了一篇学术论文。并论述了自己的观点。他认为可以拿神秘莫测的暗物质和暗能量,取而代之的是负质量的暗流体。这种暗流体也可以解释构成我们宇宙的原因。法恩斯认为存在一种"创造张量",它可以不断产生负质量。当越来越多的负质量不断爆发时,这种负质量流体并不会在扩张过程中被稀释。事实上,这种负质量引起的暗流体的作用就可以等效于我们现在认为的暗能量。
  并且他用自己的理论给出了一个预测:星系旋转得如此之快而不被撕裂开来,这表明暗物质的存在看不见的"环"将它们合拢在一起。而负质量的计算机模拟结果预测了这种"环"的形成。并且这种结果得到了天文望远镜的证实!
  法恩斯认为,负质量暗流体依旧可以解决星系旋转和膨胀的问题。而好处就是负质量起码有更多的手段可以观察的到。负质量可以引申出负物质,于此同时负质量包含的能量是负能量。而负能量已经被卡西米尔效应证实了。
  其实负能量这个物理名称听起来很高大上,也很科幻。其实制备负能量的原理极其简单,你在家都可以动手制作!
  当两块金属片距离遥远时,能量值的极限值为零。而当它们彼此靠近,我们能从中吸取能量,这时候的金属板的能量即为负值,也就是负能量。而且负能量也是开启虫洞大门必不可少的"钥匙"。所以科学家可以从负能量存在的事实,反向证明负质量的存在。不过负质量并没有直接有力的证据予以支持。
  法恩斯的新理论是另一种替代引力理论。他修改了最广泛接受的引力场方程式。法恩斯的论文提出了许多假设。例如:在不同方向上具有不同扩张率的宇宙,负质量的存在。
  当然,法恩斯的观点也遭受了一些物理学家的批。但依旧有物理学家表示支持:科学界对新理论应该保持开放的态度。
  参考文献:暗能量和暗物质的统一理论:在改进的LambdaCDM框架内的负质量和物质创造,天文学和天体物理学(2018)DOI:10.1051 / 0004-6361 / 201832898

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