新宇宙理论获初步验证

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【大纪元2020年08月13日讯】(大纪元记者笛睿编译)暗物质是目前最主流的解释宇宙发展的理论模型,可是寻找暗物质粒子的研究长期没有进展。几十年来,一些科学家在寻找其它的理论。

暗物质理论认为,宇宙中存在大量科学家还探测不到的“暗物质”,与普通物质的比例达到5:1。它们对宇宙的发展、星系的形成起到关键作用。

科学家用这种理论,成功地解释了很多观测数据,包括星系之间的引力远超过其质量所能产生的引力、来自遥远星系光线抵达地球过程中发生的弯曲,以及早期宇宙内物质分散的结构等。

检测替代理论的试金石

近年出现的一些替代理论,有的可以很好地解释星系的演化、有的很好地解释光线的弯曲,但是都触礁在展示早期宇宙的数据——宇宙微波背景(CMB)数据上,也就是说与这个数据不符。

宇宙学家日内瓦大学的杜勒(Ruth Durrer)告诉量子杂志(quantamagazine):“只有很完善的理论才与这个数据相符,这是瓶颈。”

6月底一份发表在预印网(arxiv)上的研究,提出一种替代理论终于跨越了这一障碍。这份研究在爱因斯坦的相对论基础上进行了一些修改。

没有参与这份研究的同行美国凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的天文学家麦高(Stacy McGaugh)评价这份研究说:“15年了,我们毫无进展。这是巨大的一步。”

其他几位学者也认为这个新模型看起来很有希望。“它有点巴洛克式,但是至今没有其它可行的理论,这个理论看起来还能说得通,我很佩服。”杜勒说。

宇宙标准模型,也称为ΛCDM模型(LCDM),简单地理解,这个模型认为暗物质对宇宙的发展起到极其重要的作用。它不仅解释了上面提到的多种宇宙现象,也能够精确地解释宇宙微波背景数据,被奉为标准模型。

所有替代理论面临的最大挑战就是,再造一套能够解释CMB数据的框架。修正牛顿引力理论(MOND)是暗物质替代理论中最有代表性的一个。

解释CMB数据有多难

美国宇航局(NASA)喷气动力实验室的天文物理学家帕多(Kris Pardo)和纽约熨斗研究所(Flatiron Institute)计算天体物理中心的负责人斯珀格尔(David Spergel)举例介绍了解释CMB数据的难度。

当暗物质密集区域把物质拉向它们,最后形成星系和恒星的过程,将抚平大部分,但不是全部的原来在物质间传播的涟漪。通过对比CMB极化和今天物质的形式,宇宙学家能够清晰地测量到一个结果:残留的涟漪只有CMB数据中看到的百分之一。

斯珀格尔说,替代理论要再造一套能够解释这些细节的框架,需要细致的犹如穿针引线般的工作。“我们没有否定任何这些理论(修正引力理论),但是任何替代理论都要逾越这些难关。”

这只是CMB数据中多个难以解释的特性之一,任何替代理论还需要解释的包括CMB的温度、极化,以及宇宙演化至今星系和星座的分布等。

暗尘

中欧宇宙学与基础物理学研究所(CEICO)的两位理论学家兹沃斯尼克(Tom Złosnik)和斯科迪斯(Constantinos Skordis),认为他们跨过了这道难关——构建的这套名为RelMOND的新理论,所包含的元素正好能解释宇宙尺度范围内不可见的物质,模糊了暗物质和MOND理论之间的界限,把原先看似不相容的两套理论巧妙地融会贯通。

这套新理论在相对论基础上引入了一个万能场,在不同尺度范围内起到不同的作用。在大宇宙范围,这个场起到和暗物质类似的作用,兹沃斯尼克把它叫做“暗尘”。

在小范围宇宙,比如一个星系的范围内,这个场扮演着MOND理论之基础的角色——在标准引力场的作用下自身缠绕,其效果足以把星系黏合在一起。

研究者现在在扩展这个场对星系群,或星座这样中等尺度范围内所起的作用,认为这很可能是展现这个理论特殊性的地方。

兹沃斯尼克希望科学家很快会找到暗物质,而在这之前,他认为他们的理论是一个把相对论引申到极限的优质演练,并非旨在挑战现有的天文模型。

兹沃斯尼克说:“假设某种事物不可能,就会错过找到有价值的信息的机会。它有可能开辟一条更成功的道路。”◇

责任编辑:朱涵儒

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