2012年09月11日07:25
[導(dǎo)讀]來自美國印第安納大學(xué)和中國四川大學(xué)的研究人員通過數(shù)學(xué)方法提出了暗物質(zhì)和暗能量的統(tǒng)一理論，改變了愛因斯坦所描述的關(guān)于引力的基本理論。
騰訊
科學(xué)訊（Everett/編譯）據(jù)國外媒體報道，來自美國印第安納大學(xué)和中國四川大學(xué)的研究人員通過數(shù)學(xué)方法提出了暗物質(zhì)和暗能量的統(tǒng)一理論，改變了愛因斯坦所描述的關(guān)于引力的基本理論。根據(jù)印第安納大學(xué)的數(shù)學(xué)系教授王守紅（Shouhong Wang）與四川大學(xué)馬田（Tian Ma）教授提出了時空能量和動量守恒規(guī)律，將普通物質(zhì)、暗物質(zhì)以及暗能量都納入了這個體系之中。
暗能量在大尺度結(jié)構(gòu)上驅(qū)動宇宙加速膨脹和星系彼此分離
目前仍然在使用的關(guān)于時空彎曲標(biāo)準(zhǔn)依賴于愛因斯坦的場方程，研究人員認(rèn)為暗物質(zhì)和暗能量存在于宇宙空間中，至少占據(jù)了宇宙的95%，我們需要一套新的引力場方程來描述這種潛在的由宇宙中物質(zhì)分布不均勻?qū)е碌男履芰啃问?，王守紅認(rèn)為這種能量可以是正的也可以是負(fù)的。彎曲的時空需要新的標(biāo)量勢場來代表能量密度，進(jìn)而表述新的引力場方程。目前有很多關(guān)于暗能量的不同理論，但對這一問題的研究依然是個未解之謎。
事實上，暗能量的性質(zhì)或許是宇宙學(xué)理論或者天體物理學(xué)中最為深奧的不解之謎，同時在理論物理中也是個棘手的問題。科學(xué)家在以往多宇宙質(zhì)量的統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)缺少了相當(dāng)一部分質(zhì)量，因此這些缺失的物質(zhì)被稱為暗物質(zhì)，盡管科學(xué)家進(jìn)行多次嘗試探測物質(zhì)的試驗，但這個謎團(tuán)卻越來越深。研究人員假設(shè)能量-動量的張量不再守恒，而新的引力場方程與愛因斯坦廣義相對論是等效的。在暗物質(zhì)和暗能量被發(fā)現(xiàn)之前，愛因斯坦就提出了它引力場論，因此當(dāng)時就使用了宇宙中普通物質(zhì)所遵循的能量和動量守恒。
印第安納大學(xué)數(shù)學(xué)系教授王守紅認(rèn)為新的引力場方程與愛因斯坦方程之間的區(qū)別在于增加了二級標(biāo)量勢場協(xié)變導(dǎo)數(shù)，因此從根本上改變了原先的引力場論，通過彎曲時空的度量值、新的標(biāo)量勢場以及它們之間的相互作用來描述新的理論。研究人員引入張量為解決廣義相對論的問題提供了一個簡明的框架，同時也使得能量-動量張量量化密度以及當(dāng)前所使用的時空能量和動量理論變得更加清晰，二階協(xié)變導(dǎo)數(shù)是微積分中二階導(dǎo)數(shù)的幾何模擬，通過數(shù)學(xué)上的措施可以得出一個量的變化率。
標(biāo)量場所關(guān)聯(lián)的是標(biāo)量勢（純量勢）能量密度值和負(fù)能量，并代表了宇宙中物質(zhì)非均勻分布所導(dǎo)致的新能量形式，標(biāo)量勢能量密度與宇宙中星系的運動、及宇宙物質(zhì)質(zhì)量分配之間具有相關(guān)性，影響著宇宙中每一個區(qū)域時空。研究人員認(rèn)為負(fù)能量可產(chǎn)生某種吸引力，同時正能量可以產(chǎn)生一種有別于宇宙中四大基本力的未知排斥力，這四大基本作用力為萬有引力、電磁相互作用力、弱相互作用力以及強(qiáng)相互作用力，它們是當(dāng)今物理學(xué)上所承認(rèn)的基本力。
更重要的是，新的能量和場方程提供了一個能自洽暗能量和暗物質(zhì)的統(tǒng)一理論，但目前為止暗能量和暗物質(zhì)被認(rèn)為是兩只完全不同的“宇宙怪物”，雖然在字面上理解似乎看起來存在共同點。暗物質(zhì)和暗能量可以用新的標(biāo)量勢能量密度總和、能量-動量張量耦合能量以及標(biāo)量勢場進(jìn)行表達(dá)。總量的負(fù)數(shù)部分代表暗物質(zhì)，可以產(chǎn)生吸引力，而正數(shù)部分代表暗能量，可驅(qū)動宇宙中的星系相互遠(yuǎn)離而擴(kuò)張。
總的來說，我們相信新的引力理論可以改變能量場理論、引力相互作用以及我們宇宙的結(jié)構(gòu)和形成。根據(jù)印第安納大學(xué)數(shù)學(xué)系主任凱文·扎姆布魯恩（Kevin Zumbrun）介紹：“關(guān)于新的暗物質(zhì)和暗能量的統(tǒng)一理論存在一定的推測性，因為要證實該理論需要一個匹配的實驗。本項研究是一個新的角度去看待關(guān)于暗物質(zhì)與暗能量之謎，如果該理論與實驗?zāi)芷ヅ?，那么就是一個巨大的發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)令人興奮?！?div style="height:15px;">
另外，新的暗物質(zhì)暗能量統(tǒng)一方程也會得出一個經(jīng)過修改的牛頓萬有引力公式，該公式暗示了暗物質(zhì)在宇宙一定尺度結(jié)構(gòu)上將扮演著重要角色，跨度區(qū)間位于一千至一萬光年左右。但在更大的宇宙尺度上，如超過一千萬光年的宇宙時空結(jié)構(gòu)，暗物質(zhì)效應(yīng)就顯得弱一些，此時暗能量就起到主導(dǎo)作用。研究人員認(rèn)為能統(tǒng)一暗物質(zhì)與暗能量的理論還需要進(jìn)一步驗證。
