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​爱因斯坦的引力理论再一次被挑战

在计算机模拟中,星系中致密的气体呈现为明亮的点。与黑暗中心区域对应的是标准引力行为方式;与亮黄色区域对应的,是经过修改的引力行为方式。Christian Arnold / Baojiu Li / Durham University

引力负责解释宏观宇宙,广义相对论负责解释引力。爱因斯坦的伟大,一直以来都是无可争辩的。但是人类的认识在不断地前进。不可否认,没有什么理论,能够完美地解释一切。爱因斯坦的引力理论应当也不例外。最明显的一点是,要想通过爱因斯坦的引力理论来解释我们实际观测到的宇宙,必须引入“暗物质”的概念。否则,宇宙就无法自恰。没有了“暗物质”,我们在宇宙中看到的一切理应都不存在,或不应该是现在这个样子。但是爱因斯坦的理论实在是太坚不可摧了。到目前为止,“暗物质”仍然是最合理的假设。因此,许多科学家都在探索“暗物质”的真相。理性告诉我们,这才是最正确的方向。

不过也有许多科学家相信,解释现实宇宙与理论宇宙之间的差异,可以通过修改爱因斯坦的引力理论实现。他们推出了许多爱因斯坦引力理论的替代版,试图抛开“暗物质”来解释现实宇宙。其中有一个理论名叫“变色龙理论”(Chameleon Theory,f(R)-gravity),它假设引力的表现方式取决于周边环境。最近一些来自英国达勒姆大学的物理学家,借助计算机对“变色龙理论”进行了模拟,结果发现,这个引力理论的替代版,同样能够解释宇宙中星系的形成。

相关科学家表示,针对诸多引力理论的替代版,许多科学家做过计算机模拟。但之前的模拟大多没有把普通物质考虑进去,只假设宇宙中存在暗物质。而此次模拟则不然。

宇宙学中的另一个谜是宇宙为何会膨胀。为了解释这个现象,许多理论模型都假设宇宙中存在一种未知的力——“暗能量”。但是这个“暗能量”和“暗物质”一样,无法被观测,也无法被证实。流行的假说认为,在宇宙的质能总和中,有68%是“暗能量”,27%是“暗物质”。剩下的可见物质,包括我们自己在内,只有5%左右。而“变色龙理论”对“暗能量”也作了广泛的考虑。

在此次研究中,科学家还探索了引力理论的替代版对超大质量黑洞的影响。超大质量黑洞会吸取恒星的原材料气体,并把部分物质和热能释放出来。对于星系核心的形成而言,这种能量的释放,是非常重要的。它在星系的形成过程中扮演了一个非常重要的角色。通过模拟科学家发现,尽管引力理论替代版减少了黑洞释放的热量,星系依然可以像现实宇宙中那样逐渐形成。

相关研究人员表示,虽然这样的研究并不能动摇广义相对论的有效性,但是它为未来的研究指出了另一种可能。

参考:

Realistic simulations of galaxy formation in f(R) modified gravity

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

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来自:wenxuefeng360  > 物理
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