新研究认为暗物质和暗能量可能是宇宙中自然力随时间减弱造成的错觉

多年来，科学家一直认为暗物质和暗能量构成了宇宙的大部分。然而，一项新研究挑战了这一长期观点，提出这些神秘成分实际上可能根本不存在。研究指出，所谓暗物质和暗能量的表现，或许只是宇宙中基本作用力随着年龄增长逐渐减弱的结果。

这项由渥太华大学物理系兼职教授拉坚德拉·古普塔（Rajendra Gupta）领导的研究指出，如果大自然的核心作用力（如引力）的强度会随时间和空间缓慢变化，这能解释天文学家观测到的众多奇异现象，比如星系的旋转、演化方式，以及宇宙持续膨胀的现象。

挑战既有概念

古普塔教授解释说：“随着宇宙膨胀，宇宙中的作用力平均会变弱。这样的减弱，会让我们误以为有一种神秘的推动力在加速宇宙膨胀（即所谓的暗能量）。但在星系或星系团的尺度上，这些作用力在其引力束缚空间内的变化，会导致额外的引力（被解释为暗物质）。但实际上，这些现象可能只是源于定义自然力强度常数随宇宙演化的‘假象’。”

他说：“要解释暗物质和暗能量，需要分别解释两个尺度的现象：一是宇宙学尺度（大于6亿光年），假设宇宙各向同性且均匀；二是天体物理尺度（较小尺度），此时宇宙是高度不均匀且各向异性的。在标准模型中，这两个尺度需要不同的方程来用暗物质和暗能量解释观测。而我们的理论则用同一方程无需暗物质和暗能量即可解释。”

他补充道：“令人兴奋的是，这种新方式让我们可以用自然常数演化来解释观测到的现象，如星系旋转、星系团聚集、甚至是引力透镜效应，而不需要假设有神秘物质隐藏在宇宙中。只需要常数随宇宙老化变得‘起伏不定’。”

新模型在天体物理尺度上的应用

去年，古普塔教授在宇宙学尺度上质疑了暗物质的存在。本次在天体物理尺度的研究中，他检验了当前对星系旋转曲线的理论解释。

• 在新模型中，常用参数α源自“耦合常数”演变。实际上，α在引力方程中表现得像一个额外“分量”，产生了类似于暗物质和暗能量的效应。

• 在宇宙学尺度上，α被视为常数（例如通过超新星数据拟合确定）。但在本地（天体物理尺度），星系中常规物质（黑洞、恒星、行星、气体等）的分布非常不均，α也随之变化，导致额外引力效应也依赖于物质分布。理论预测，当常规物质聚集多时，额外引力效应反而小，物质稀疏处则更大。

• 因此，新模型解释星系外围恒星转速高于预期的“平坦旋转曲线”，不是因为有暗物质晕，而是α造成的额外引力所致。

对天文学的意义

古普塔教授认为，这一思路或能解开天文学中的许多困惑。“这些年来，我们一直难以解释早期宇宙的星系为何如此快速形成并变得庞大。用我们的模型，无须假定奇异粒子或违反物理规律，只需‘延长时间线’，宇宙的年龄几乎增加了一倍，自然为观测到的所有结构腾出了空间。”

实际上，星系和黑洞的形成时间被拉长，使大而复杂的天体结构早期出现在宇宙成为可能。

这一理论可能彻底改变我们对宇宙的认知观念，还暗示我们多年寻找暗物质粒子的实验可能并不必要。即便偏要寻找这些粒子，它们也需占据正常物质质量的六倍才成立。

“有时候，最简单的解释才是最正确的。也许宇宙的最大奥秘只不过是自然常数的演化带来的‘把戏’，”古普塔教授总结道。