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重新思考引力

谦太祥和 发布于: 2019年7月16日 9时0分39秒 阅读589次

  引力暗能量的物理本质是现代物理学中最迷人、却又最令人头疼的核心问题。

  爱因斯坦广义相对论被普遍认为是描述引力的标准理论。自 100 多年前广义相对论提出以来,它经受住了所有最严苛的检验,解决了牛顿理论无法解释的水星近日点进动问题,预言了黑洞引力波的存在。它是现代宇宙学的基础,它甚至在日常生活中也发挥着重要的作用。

  尽管广义相对论如此成功,但自它提出以来,人们就开始寻找替代的引力理论。显然,想要提出一个全新的引力理论是极其不容易的,这样的一个新理论必须解释广义相对论所能够解释的一切,同时它也至少应该能够解释暗物质和暗能量难题中的一个。暗物质的数量是普通物质的五倍之多,暗能量则是推动宇宙加速膨胀的幕后黑手。

  有一类理论被统称为MOND(修改的牛顿动力学),它们探讨的是根本不存在暗物质的情况。但对于一些相对论能够轻松处理的问题,它却很难做出恰当的解释。它也没有解释暗能量,部分原因是因为这类理论早在暗能量被发现之前就已经提出了。

  另一类被称为f(R)引力的模型则是为了消除对暗能量的需求,这类模型具有“变色龙”机制。这是因为它们假设存在一个额外的力,这个力会根据周围的环境而改变行为。

  在有很多物质的地方,变色龙力就会被最小化,使它融入进周围的环境。当物质在更大的尺度上变得稀疏时,它的存在感便无法令人忽视。这就是为什么我们不能在地球上或中子星之类的天体上探测到任何有别于广义相对论相对论的重大偏差,但当我们开始观测宇宙的大尺度结构时,就能探测到它们的存在。导致的最终结果是宇宙的加速膨胀,这种加速就如同暗能量一样——只在大的尺度上才会显现出来。

  科学家已经从理论计算中得知,f(R)引力可以复制广义相对论在太阳系内的成功。同时,它也预言了引力波和光子的传播速度是一致的,这与双中子星合并事件的观测结果吻合。然而,若想要成为一个真正成功的物理学理论,它还还需要能处理广义相对论所无法处理的细节。这使得验证变得非常困难,因为新的模型就是被精心设计来匹配现有数据的。所以,问题的关键在于,我们要找到那些可以显示广义相对论和新模型之间的区别,却又还没有被我们找到的数据。

  为了寻找这些差异,杜伦大学的一组宇宙学家决定,在那些可以模拟从恒星到星系团等各种结构的形成的大型计算机模型中,加入f(R)引力。他们发现,f(R)引力也可以被用来解释宇宙结构的形成。这一结果表明,即使拥有不同的引力定律,像我们银河系这样的星系仍然可以在宇宙中形成,该发现发表于 7 月 8 日的《自然天文学》。

  图:这是一张显示了从修正引力模型中生成的盘形星系图。图像右侧的红蓝颜色显示的是星系盘内的气体密度,恒星显示为明亮的斑点。图像左侧显示了星系盘内气体的力的变化,其中深色的中心区域对应于标准的、广义相对论式的力,而亮黄色区域对应于增强了的力(修正的力)。两张图片自上而下分别显示了从上方和侧面模拟星系的样子。 图片来源:Christian Arnold/Baojiu Li/Durham University.

  研究人利用了Illustris TNG模型来进行测试,这是一个可模拟星系的形成和演化的微型宇宙。在标准条件下,这一模型在某种程度上是完全基于广义相对论来控制演化的。但在这次的测试中,研究人员用变色龙理论取代了广义相对论。


由 Illustris TNG 模型产生的星系团。 图片来源:TNG Collaboration 

  记住,所有的模型都假定宇宙中存在大量的暗物质,只有 MOND 希望能彻底摆脱它们。模拟在两种情况下进行:有来自普通物质的反馈,以及没有来自普通物质的反馈。与暗物质不同的是,普通物质会燃烧成恒星并形成黑洞,而这些黑洞提供的反馈会改变附近物质的行为。

  模拟结果表明,星系内部区域的气体感受不到修改过的引力的效应,其行为与广义相对论相差无几。这包括气体流入了驱动着活动星系的超大质量黑洞附近的区域。相反,由于变色龙力引起的变化,星系的外部区域应该显示出一些差异。由于在变色龙模型下,引力的动力学会有所改变,因此预计这里会有更多的恒星形成。

  不幸的是,大多数这些效应都太小,无法在f(R)和广义相对论之间产生可被检测到的差异。然而,有一个却是例外。发生在星系外层气体中的变化导致在那里形成了密度更高的气体,这样就提高了气体冷却的效率。计划于 2020 年投入观测的平方千米阵列(SKA)中的仪器将对这种气体的变化特性非常敏感。届时,横跨两大洲的 SKA 将成为世界上最大的射电望远镜,其强大的观测能力足以深入太空,对形成于大爆炸之后不久的恒星和星系进行观测。因此,在不久的将来,SKA 或许就能够检测到任何有别于广义相对论的偏差。

  参考来源:

  https://www.dur.ac.uk/research/news/item/?id=39308&itemno=39308

  https://www.nature.com/articles/s41550-019-0823-y

  https://arstechnica.com/staff/2019/07/alternative-theory-of-gravity-makes-a-nearly-testable-prediction/

 

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