科学家或发现能统一暗物质和暗能量的理论

2012年09月11日07:25

[导读]来自美国印第安纳大学和中国四川大学的研究人员通过数学方法提出了暗物质和暗能量的统一理论，改变了爱因斯坦所描述的关于引力的基本理论。

腾讯科学讯（Everett/编译）据国外媒体报道，来自美国印第安纳大学和中国四川大学的研究人员通过数学方法提出了暗物质和暗能量的统一理论，改变了爱因斯坦所描述的关于引力的基本理论。根据印第安纳大学的数学系教授王守红（Shouhong Wang）与四川大学马田（Tian Ma）教授提出了时空能量和动量守恒规律，将普通物质、暗物质以及暗能量都纳入了这个体系之中。

暗能量在大尺度结构上驱动宇宙加速膨胀和星系彼此分离

目前仍然在使用的关于时空弯曲标准依赖于爱因斯坦的场方程，研究人员认为暗物质和暗能量存在于宇宙空间中，至少占据了宇宙的95%，我们需要一套新的引力场方程来描述这种潜在的由宇宙中物质分布不均匀导致的新能量形式，王守红认为这种能量可以是正的也可以是负的。弯曲的时空需要新的标量势场来代表能量密度，进而表述新的引力场方程。目前有很多关于暗能量的不同理论，但对这一问题的研究依然是个未解之谜。

事实上，暗能量的性质或许是宇宙学理论或者天体物理学中最为深奥的不解之谜，同时在理论物理中也是个棘手的问题。科学家在以往多宇宙质量的统计中发现缺少了相当一部分质量，因此这些缺失的物质被称为暗物质，尽管科学家进行多次尝试探测物质的试验，但这个谜团却越来越深。研究人员假设能量-动量的张量不再守恒，而新的引力场方程与爱因斯坦广义相对论是等效的。在暗物质和暗能量被发现之前，爱因斯坦就提出了它引力场论，因此当时就使用了宇宙中普通物质所遵循的能量和动量守恒。

印第安纳大学数学系教授王守红认为新的引力场方程与爱因斯坦方程之间的区别在于增加了二级标量势场协变导数，因此从根本上改变了原先的引力场论，通过弯曲时空的度量值、新的标量势场以及它们之间的相互作用来描述新的理论。研究人员引入张量为解决广义相对论的问题提供了一个简明的框架，同时也使得能量-动量张量量化密度以及当前所使用的时空能量和动量理论变得更加清晰，二阶协变导数是微积分中二阶导数的几何模拟，通过数学上的措施可以得出一个量的变化率。

标量场所关联的是标量势（纯量势）能量密度值和负能量，并代表了宇宙中物质非均匀分布所导致的新能量形式，标量势能量密度与宇宙中星系的运动、及宇宙物质质量分配之间具有相关性，影响着宇宙中每一个区域时空。研究人员认为负能量可产生某种吸引力，同时正能量可以产生一种有别于宇宙中四大基本力的未知排斥力，这四大基本作用力为万有引力、电磁相互作用力、弱相互作用力以及强相互作用力，它们是当今物理学上所承认的基本力。

更重要的是，新的能量和场方程提供了一个能自洽暗能量和暗物质的统一理论，但目前为止暗能量和暗物质被认为是两只完全不同的“宇宙怪物”，虽然在字面上理解似乎看起来存在共同点。暗物质和暗能量可以用新的标量势能量密度总和、能量-动量张量耦合能量以及标量势场进行表达。总量的负数部分代表暗物质，可以产生吸引力，而正数部分代表暗能量，可驱动宇宙中的星系相互远离而扩张。

总的来说，我们相信新的引力理论可以改变能量场理论、引力相互作用以及我们宇宙的结构和形成。根据印第安纳大学数学系主任凯文·扎姆布鲁恩（Kevin Zumbrun）介绍：“关于新的暗物质和暗能量的统一理论存在一定的推测性，因为要证实该理论需要一个匹配的实验。本项研究是一个新的角度去看待关于暗物质与暗能量之谜，如果该理论与实验能匹配，那么就是一个巨大的发现，相当令人兴奋。”

另外，新的暗物质暗能量统一方程也会得出一个经过修改的牛顿万有引力公式，该公式暗示了暗物质在宇宙一定尺度结构上将扮演着重要角色，跨度区间位于一千至一万光年左右。但在更大的宇宙尺度上，如超过一千万光年的宇宙时空结构，暗物质效应就显得弱一些，此时暗能量就起到主导作用。研究人员认为能统一暗物质与暗能量的理论还需要进一步验证。