暗物质是真有其事，还是重力错觉？新理论揭示谜团

新的研究表明，宇宙中最令人困惑和神秘的物质——暗物质，可能并不真实。但一位科学家表示，从我们的宇宙模型中去除暗物质可能取决于重力在非常大尺度上表现不同的可能性。

暗物质一直是物理学家的一个难题，因为尽管它的质量是普通物质的五倍，但它实际上是看不见的。这是因为它不与光相互作用，或者更准确地说，电磁辐射。构成星星、行星、月球和生物等可见事物的原子中的粒子确实与光相互作用，因此科学家们一直在寻找可能构成暗物质的粒子。然而，如果我们对重力在星系尺度上的表现理解错误，那么这一粒子物理学的假设就不再必要。至少，印度理工学院的纳曼·库马尔（Naman Kumar）是这样建议的。

库马尔在Phys.org上写道：“暗物质的神秘——看不见、无处不在，并且在标准宇宙学中至关重要——在物理学界困扰了几十年。在新的研究中，我探讨了一个不同的可能性：与其假设新的粒子，不如考虑重力本身在大尺度上可能有不同的表现。”

科学家推断暗物质存在的唯一原因是，这种奇特的物质确实与重力有相互作用。事实上，暗物质的第一个线索来自于观察到星系旋转得如此迅速，以至于如果只有它们可见物质的重力在起作用，它们早就应该散开了。

另一个证据来自一种现象，称为“引力透镜”，当光的通常直线路径因大质量物体在时空中造成的凹陷而弯曲时，就会发生这种现象。研究发现，这种偏转程度过于极端，无法仅用透镜星系中的可见物质来解释。因此，物理学家推断，星系中嵌入了巨大的暗物质晕，这些暗物质晕远远超出了它们的恒星晕。

暗物质的唯一证据来自它对空间的引力效应，以及对日常物质或“重子物质”的影响，这也解释了为什么一种修正的引力理论可以不需要暗物质的存在。

不要做一个方块

为此，库马尔从量子场论的角度研究引力，并在与红外光波长相当的极小尺度上进行探讨，这被称为“红外运行机制”。这意味着不假设牛顿的引力常数，或称为“大G”，在不同长度尺度上可以变化或“运行”。

“出现了一个令人信服的理论案例，描述了引力在银河距离上有效强度的微妙变化情景，”库马尔写道。

引力是物理学中“反平方定律”1/r^2的一个例子，这意味着它的强度随着距离源的平方而减弱；当距离一个引力体加倍时，它的引力变为原来的四分之一。如果距离增加到三倍，引力的影响则变为原来的九分之一。

考虑到他的红外运行模型，库马尔发现了一种不同于通常反平方力法则的引力势，导致了一种1/r的长程引力。这可能导致目前被认为是暗物质晕造成的星系旋转现象。

“这些结果表明，红外运行模型可以解释星系旋转，而不需要引入主要的冷暗物质成分，”库马尔解释道。

这也是意料之中的，由于暗物质被认为占据了宇宙中85%的物质，因此将其从我们的宇宙模型中去掉，对理解宇宙的演化及其未来发展有重要意义。不过，库马尔的模型可能与目前的预期和观测结果一致。

“在早期宇宙——即宇宙微波背景和结构形成时期——任何重力变化都必须足够小，以避免与精确的宇宙学测量相冲突，”库马尔写道。“在红外运行框架内，修正会随着尺度和时间的变化而缓慢增加，保持与早期宇宙的约束一致，而仅在后期和大尺度上才变得相关。”

库马尔的红外运行引力的下一步将是看看它与引力透镜测量和星系团聚集的比较，目前认为这些现象发生在暗物质背景周围。

库马尔总结道：“我的工作为理解暗物质现象开辟了一条道路，不是将其视为缺失的粒子现象，而是作为引力本身的一个微妙特征——这是量子引力场理论中尺度依赖性的深刻结果。虽然这种方法还没有完全取代宇宙学标准模型中的暗物质——特别是在解释具体的结构形成和透镜数据方面——但它突显了引力可能隐藏的复杂性，并邀请人们重新评估暗物质效应的来源。”

库马尔的研究发表在《物理评论快报 B》期刊上。