研究表明:宇宙或是一个球体,而且比平坦宇宙能容纳更多暗物质!

subtitle 物理 10-18 15:50 跟贴 23 条

无论理论有多么精妙,实验数据都将是最后一句话!对行星逆行运动的观察是哥白尼日心说公转的基础,在哥白尼日心说中,太阳在太阳系的中心取代了地球,即推翻了地心说,水星不同寻常的轨道为广义相对论验证提供了又一个证实。事实上,我们对宇宙的全部理解都是建立在观察到的基础之上。现在发表在《自然天文学》期刊上的新研究已经得出了一个结论,如果得到证实,可能会引发宇宙学危机。研究表明,宇宙的形状可能是弯曲的,而不是像先前认为的那样是平坦的。

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在弯曲宇宙中,无论朝哪个方向旅行,都会在起点结束,就像在球体上一样,虽然宇宙有四个维度,包括时间维度。这一结果是基于普朗克卫星对宇宙微波背景的测量,宇宙微波背景是大爆炸遗留下来的。根据爱因斯坦的广义相对论,质量扭曲了它周围的空间和时间。因此,光线明显地绕着一个巨大的物体转了一半圈甚至更多,而不是沿直线传播,这种效应被称为引力透镜效应。普朗克数据中这样的透镜,比应该存在的要多得多,这意味着宇宙中可能包含比我们想象要多得多的暗物质。

如重大修改,将让人头疼

在研究中证明了封闭宇宙可以为这一效应提供物理解释,因为它能够容纳比平坦宇宙更多的暗物质,这样的宇宙与广义相对论是完全相容的。然而,并不是所有宇宙学家都认可封闭的宇宙。如果球状宇宙是透镜异常的解决方案,那么必须处理几个重要的后果。首先必须修改宇宙学的一个基本基石:宇宙膨胀理论。膨胀描述了大爆炸后的第一个瞬间,预测了原始宇宙的指数膨胀时期。这个理论是在过去40年里发展起来,当它们相距太远而不能接触的时候,用来解释为什么宇宙中遥远的部分看起来相同,温度也一样。

膨胀解决了这个问题,因为它意味着宇宙中遥远的区域曾经是相连的,但是将这些区域分开的快速膨胀时期,也被认为是将宇宙精确地平坦的原因之一。如果宇宙是封闭的,标准膨胀就有麻烦了,这意味着将失去标准解释,为什么宇宙有它所拥有的结构?一旦假设宇宙是弯曲的,普朗克数据基本上与所有其他数据集不一致。正如在研究论文中所述的,这一切都归结为宇宙学的真正危机。出于这些原因,宇宙学家非常谨慎,许多宇宙学家更愿意将结果归因于统计上的侥幸,当来自未来实验的新数据可用时,统计侥幸就会得到解决。

那会不会是错了?

这当然有可能被证明是错误的,但是,在该研究的研究人员看来,有一个主要原因,为什么不应该仅仅丢弃这种反常现象。在粒子物理学中,一个发现应该达到至少五个“西格玛”的精确度,才能被社区的同行接受。在本研究中,只是略高于三个西格玛,所以显然低于这个接受水平。但是,虽然粒子物理的标准模型是基于已知和已证实的物理,但标准宇宙学模型是基于未知的物理。目前宇宙学三大支柱:暗物质、暗能量和宇宙膨胀的物理证据完全来自宇宙学,它们的存在可以解释许多天体物理观测。

但是它们既不是在最小尺度上支配宇宙的粒子物理学标准模型中,也不是在大尺度上运行的广义相对论中被期望。相反,这些物质属于未知物理学领域,没有人在实验室或其他地方见过暗物质、暗能量或膨胀。因此,虽然粒子物理学中的异常可以被视为我们可能需要全新物理学的暗示,但宇宙学中的异常应该被视为我们必须揭示完全未知物理的唯一方式。因此,该研究发现最有趣的结果不是宇宙看起来是弯曲不是平坦的,而是它可能迫使我们以一种完全不同的方式重新排列宇宙拼图的碎片。

博科园|文:Eleonora Di Valentino/The Conversation

参考期刊《自然天文学》

DOI: 10.1038/s41550-019-0906-9

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