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
2024-03-11 20:00:00
1710186123