时空的“布朗运动”可能意味着暗物质的死亡

当天文学家研究遥远星系的旋转时，他们立即遇到了一个难题。 恒星通过重力聚集在一起，防止它们在星系旋转时被抛入星系际空间。 事实上，天文学家可以根据他们看到的恒星的质量来计算重力的大小。

令人困惑的是，这些星系的最外层部分移动得太快。 这个质量似乎不足以阻止这些恒星飞走。

事实上，这种情况并没有发生，这是现代宇宙学的最大谜团之一。 一定有某种力量将星系维系在一起，但天文学家不知道它来自哪里。

他们最好的猜测是，星系中一定充满了他们看不到的物质，这些物质对他们能看到的物质施加了引力。 寻找这种所谓的暗物质是现代科学的伟大事业之一。 但是，尽管多年来的研究和实验花费了数十亿美元，但没有人直接观察到暗物质。

宇宙之谜

但还有另一种解释。 早在 20 世纪 80 年代，一位名叫莫德海·米尔格罗姆 (Mordehai Milgrom) 的物理学家提出，在银河系尺度上，牛顿运动定律可能与在地球上观察到的定律略有不同。 这些改进的牛顿动力学或 MOND 可以提供额外的引力来将星系而不是暗物质保持在一起。

但与暗物质一样，几乎没有证据支持这一想法。 各种研究都在研究 MOND 可能如何影响遥远天体的轨道，例如冥王星，甚至先锋号和航行者号航天器，但没有取得令人鼓舞的结果。 许多天文学家不喜欢这个想法，因为它本质上是对牛顿动力学的任意改变。

出于这个原因，随着修正牛顿动力学与暗物质的争论不断消退，天文学家倾向于支持暗物质的想法。

但由于伦敦大学学院的 Jonathan Oppenheim 和 Andrea Russo 的工作，这种情况现在可能会改变，他们已经弄清楚了为什么 Milgrom 的 MOND 想法可能是正确的。 这为 MOND 提供了理论基础，将增加其对天文学家和物理学家的吸引力。

这项新工作基于奥本海姆几年前提出的一个想法，旨在调和现代物理学的两个伟大基础：量子力学和广义相对论之间的不相容性。

量子力学在最小尺度上控制宇宙的行为，而相对论则在最大尺度上运作。 但这些理论的特征完全相反，量子力学表明宇宙本质上是概率性的，而相对论则暗示宇宙完全是经典的。

这在推导量子引力理论时造成了一个困境，物理学家尚未解决这个问题。

奥本海姆的想法是，相对论是经典的，但本质上是随机的，他的意思是相对论具有随机特征，很像布朗运动，即悬浮在流体中的粒子的随机运动。 这使得量子力学和相对论能够以数学上兼容的方式结合起来。

新方法的一个结果是，正如物理学家所观察到的那样，在人类尺度上，引力完全是牛顿力学的。 但另一个问题是，在银河系尺度上，重力引起的加速度可能会发生微小但随机的变化，就好像时空在其内部的质量上引发了某种布朗运动一样。 正是时空的这种随机性质产生了将星系聚集在一起的额外引力。

“我们表明，这种随机行为会导致低加速度下广义相对论的修正，”他们说。 “在低加速度状态下，引力场产生的加速度变化……充当熵力，导致与爱因斯坦广义相对论的偏差。”

愿原力

换句话说，熵力的作用就好像它是附加物质一样。 他们总结道：“由随机宇宙学常数驱动的熵力可以解释星系旋转曲线，而无需唤起暗物质。”

奥本海姆和鲁索并没有忽视与米尔格罗姆想法的相似之处。 事实上，他们表明他们的想法产生了与米尔格罗姆类似的预测。 新理论并不是对牛顿动力学的任意修改，而是将相对论和量子力学结合到一个单一框架中的必然结果。

这是一项有趣的工作，对于未来测试牛顿动力学本质的实验具有巨大的潜力。

但奥本海姆和罗素敦促谨慎行事。 他们指出，除了银河系自转之外，还有其他原因表明暗物质的存在。 例如，遥远星系的引力质量就像透镜一样，在光线经过时使光线弯曲。 这种弯曲的大小表明暗物质一定对这个质量有贡献。

奥本海姆和罗素表示，在他们的想法获得关注之前，需要进一步研究，特别是通过模拟时空的布朗运动及其对质量的影响。

这将为天文学家提供一些快乐的工作时光。 对于花费数十亿美元在地球上寻找暗物质证据的实验者来说，这可能不太高兴。

参考：随机时空对银河自转曲线的异常贡献： arxiv.org/abs/2402.19459