在發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里,科學(xué)家都普遍認(rèn)為,宇宙物質(zhì)之間的萬(wàn)有引力會(huì)像剎車一樣,把宇宙膨脹的速度慢慢拖慢,就像你往天上扔一塊石頭,石頭雖然在上升,但速度肯定會(huì)越來(lái)越慢。
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然而在1998年的時(shí)候,兩個(gè)獨(dú)立的天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過(guò)觀測(cè)遙遠(yuǎn)的Ia型超新星(也就是宇宙中的標(biāo)準(zhǔn)燭光)來(lái)測(cè)量宇宙膨脹速度時(shí),所有人都傻眼了。
因?yàn)橛^測(cè)數(shù)據(jù)明明白白地顯示,宇宙的膨脹并沒(méi)有在減速,反而是在加速,也就是說(shuō),那個(gè)被扔上天的石頭,并沒(méi)有慢下來(lái),反而像裝了火箭推進(jìn)器一樣,越飛越高,越飛越快。
為了解釋這個(gè)完全違反直覺(jué)的現(xiàn)象,科學(xué)家不得不給宇宙加入一個(gè)新成員——暗能量。
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在目前的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型(即ΛCDM模型)里,暗能量占據(jù)了宇宙總質(zhì)能的大約70%,我們并不知道它具體是什么,只知道它應(yīng)該提供了一種“萬(wàn)有斥力”,把宇宙空間“撐開(kāi)”。
不過(guò)并不是所有人都對(duì)暗能量表示認(rèn)同,這不,根據(jù)一項(xiàng)發(fā)表在預(yù)印本服務(wù)器(arXiv)上的研究,暗能量有可能并不存在,科學(xué)家可能發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹背后的真正原因。
該研究指出,盡管我們已經(jīng)很努力地去尋找暗能量的蹤跡,但迄今為止,我們什么也沒(méi)有發(fā)現(xiàn),所以我們有理由認(rèn)為,既然暗能量怎么找都找不到,那會(huì)不會(huì)是我們一開(kāi)始用來(lái)描述時(shí)空的幾何學(xué)太簡(jiǎn)單了?
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科學(xué)家表示,我們現(xiàn)在通用的廣義相對(duì)論,建立在一種叫“黎曼幾何”(Riemannian geometry)的數(shù)學(xué)框架上。在黎曼幾何的世界里,時(shí)空雖然可以彎曲,但它有一個(gè)非常“硬性”的設(shè)定:無(wú)論你朝哪個(gè)方向看,無(wú)論你運(yùn)動(dòng)得有多快,時(shí)空度量的標(biāo)準(zhǔn)(也就是你怎么定義距離和時(shí)間)本質(zhì)上是對(duì)稱的、各向同性的。
而此次研究則使用了“芬斯勒幾何”(Finsler geometry),我們可以將其簡(jiǎn)單地理解為,這是“黎曼幾何”的一種數(shù)學(xué)上的推廣和延伸,在芬斯勒幾何的世界里,時(shí)空的度量依賴于觀察者運(yùn)動(dòng)的速度和方向的,也就是說(shuō),時(shí)空的幾何性質(zhì)會(huì)隨著你的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生微妙的變化。
打個(gè)比方,假設(shè)你在一個(gè)有風(fēng)的區(qū)域測(cè)量距離,在黎曼幾何中,無(wú)論你逆風(fēng)還是順風(fēng)走,尺子上的“一米”永遠(yuǎn)是等價(jià)的,但在芬斯勒幾何中,由于時(shí)空本身的幾何屬性隨著你的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生了變化,你順風(fēng)走一米和你逆風(fēng)走一米,在時(shí)空的“阻力”或“內(nèi)在感覺(jué)”上就會(huì)不同。
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在研究工作中,科學(xué)家將這個(gè)更復(fù)雜的芬斯勒幾何引入到了描述宇宙膨脹的核心方程——“弗里德曼方程”之中,結(jié)果發(fā)現(xiàn),就算方程里根本沒(méi)有那個(gè)代表暗能量的常數(shù),也沒(méi)有引入任何額外的能量場(chǎng),方程的解竟然自然而然地推導(dǎo)出了一個(gè)加速膨脹的宇宙。
這就意味著,我們之前認(rèn)為的暗能量可能根本不存在,而宇宙膨脹背后的真正原因,有可能是時(shí)空這種“材質(zhì)”自帶的一種幾何屬性所產(chǎn)生的效應(yīng),根據(jù)此次研究的計(jì)算,當(dāng)宇宙尺度足夠大時(shí),這種效應(yīng)就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái),表現(xiàn)得就像有一種斥力在推動(dòng)宇宙膨脹一樣。
科學(xué)家指出,奧卡姆剃刀原理告訴我們,如無(wú)必要,勿增實(shí)體。假如能用“幾何”本身解釋所有現(xiàn)象,為什么要額外假設(shè)一種充滿了整個(gè)宇宙卻又看不見(jiàn)的“能量”呢?
當(dāng)然了,此次研究只是證明了“幾何產(chǎn)生加速”在數(shù)學(xué)上是行得通的,接下來(lái),科學(xué)家還需要找到有力的證據(jù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。就目前的情況來(lái)看,相關(guān)的研究仍在進(jìn)行之中,期待在未來(lái)的日子里,科學(xué)家能有更多的發(fā)現(xiàn)。
參考資料:From kinetic gases to an exponentially expanding universe - The Finsler-Friedmann equation,arXiv:2504.08062v2
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