天文學家最擅長給事物命名。暗能量和暗物質？誰能記住哪個是哪個？
但有一位天文學家剛剛修復了它，有一種理論認為它們可能實際上是相同的東西。牛津大學的天體物理學家傑米·法恩斯博士剛剛發表了一篇論文，指出暗能量和暗物質都可能由同一現象引起。這是非常瘋狂的：負質量粒子不斷地在星系之間出現。這種相當鋪張浪費的說法引起了媒體的歇斯底里的反應。暗能量和暗物質的統一理論：修正lambda CDM框架內的負質量和物質創造”。
正如任何將暗物質和暗能量結合起來的新理論一樣，也許它有助於我們首先了解它們是什麼。
星系旋轉得太快了。僅僅依靠可見物質的引力，他們不應該被緊緊地綁在一起。它們應該把星星撒向太空。
所以我們得出結論，星系和宇宙物質的物質是我們實際看到的物質的5-10倍。我們稱之為暗物質，儘管我們可能無法找到構成它的奇異粒子。暗能量是完全不同的——標準的說法是這樣的。對遙遠的超新星的觀察告訴我們宇宙的膨脹正在加速。如果空間本身有一點點能量，這個加速度會和你得到的效果相匹配。因為膨脹物而產生的空間越多，你得到的“暗能量”就越多，這就導致了更多的加速度。事實上，我們必須更仔細地思考為什麼暗能量會導致加速膨脹，這對於新的論文很重要。暗能量的標準圖景是空間真空中一個實際大於零的能量。根據愛因斯坦的廣義相對論，任何這樣的正能量都會產生向內的引力。暗能量就是這樣。
那麼，為什麼它會導致向外推動，加速擴張呢？這是一個非常微妙的點，最重要的發現是在這個例子中，我們分離了第二個弗裡德曼方程。這就是愛因斯坦方程的解，它告訴你宇宙膨脹的加速度。但這裡有一個關鍵點：如果空間有一個常數，正能量密度，那麼它也有一個負壓力。由於我們深入研究這些事件的不明原因，負壓會產生反引力效應。所以暗能量有著相互競爭的效應——正能量密度給了它正引力效應，但負壓力是反引力。在暗能量的情況下，後者獲勝，因此宇宙的膨脹加速。其中一個重要的部分是暗能量的能量密度是恆定的，所以它不會隨著宇宙的膨脹而稀釋。在愛因斯坦方程和弗裡德曼方程中，恆定的能量密度由宇宙學常數或lambda表示。正的lambda意味著加速膨脹。
傑米·法恩斯正在尋找一種能解釋暗能量和暗物質的反引力效應的方法。他試圖用非常不同的方式做到這一點：負質量。在物理學中，我們通常假定質量總是正的。暫時忘記壓力，正的質量和能量總是有正的引力效應。
它們吸引其他東西。那麼負質量呢？答案很複雜——像負質量這樣奇怪的東西如何從廣義相對論轉化為牛頓定律並不總是顯而易見的。但現在讓我們來看看這篇論文的論點，它是基於牛頓物理學的。在牛頓引力中，你把兩個質量和其他物質一起乘起來，得到它們相互引力的強度。從定義上講，兩個正質量總是產生吸引力。兩個負質量會抵消對方的符號，所以也會給你一個吸引力。但是有一個負質量和一個正質量，最後的重力有相反的符號，這使它具有排斥性。法恩斯博士把牛頓的論點向前推進了一步。質量決定了引力場的強度和方向，那就是引力質量。它還通過牛頓第二定律確定物體對力的反應方式。在這個方程中，質量是慣性質量。它應該和引力質量一樣，以保持等效原理。對於正慣性質量，加速度方向與作用力方向相同。對於負質量，該方程表明加速度與作用力方向相反。根據牛頓的解釋，把一個負質量推離你，它會向你移動。所以法恩斯認為，兩個負質量之間的“吸引力”引力實際上應該把它們分開。這是為了向外推動以取代暗能量。同時，負質量和正質量之間的排斥力應排斥正質量並吸引負質量。這是一個奇怪的情況，但正如我馬上要解釋的，它會給我們暗物質的替代品。
事實上，讓我們從暗物質開始，利用負質量粒子和正質量粒子相互作用的思想，建立了一個N體模擬模型。基本上，他用正負質量粒子，以及牛頓定律的解釋，將一個虛擬宇宙編程到他的計算機中。這些模擬表明，當被負質量粒子包圍時，星系確實旋轉得更快。這是因為星系中的正質量吸引了負質量的光環，但同時正質量被周圍光環向內排斥。這就從外部限制了星系，因此它的旋轉速度比單靠重力把星系連接在一起時要快。這是一個非常酷的結果。要使相同的負質量物質也能模擬暗能量，需要一個額外的巨大假設。問題是，隨著宇宙的膨脹，我們的負質量會逐漸消失。為了解決這個問題，法恩斯提出，隨著宇宙的膨脹，這些負質量不斷地被創造出來。即使正質量密度下降，也能保持負質量密度不變。其結果是一種非常擴散的負質量流體，充滿宇宙並不斷地自我補充。
除了向弗雷德·霍伊爾和赫爾曼·邦迪大喊大叫之外，沒有任何真正的理由來證明這一點，他們在嚴重揭穿穩態宇宙觀的過程中提出了類似的觀點。但這很酷——暗能量背後的物理解釋也很脆弱。一個常數的正能量密度可以表示為一個宇宙學常數嗎？一個正的lambda會產生一個反重力的負壓力？一個常數的負能量密度，就像法恩斯提出的那樣，給出了一個負的宇宙學常數。這就產生了一個正壓力，在廣義相對論中，正壓力增加了一個吸引人的引力，不管是什麼原因造成的。如果我們看第二個弗裡德曼方程，它實際上是整個宇宙的牛頓引力定律的類似物，這個負質量流體，作為一個負宇宙學常數-與常規暗能量具有相同的競爭效應，但方向相反。直接效應是排斥的-反引力的，這是使用負物質的最初動機。但是，這種效應被壓力的影響所壓倒，在這種情況下，壓力是有吸引力的——它能使宇宙倒退。現在，法恩斯承認他的建議給出了一個負宇宙學常數，最終會減速，但也有一些矛盾，因為他還認為這是一個很好的暗能量替代品，因為它就像一個宇宙學常數。然而，一個負的宇宙學常數給了你一個完全不同的宇宙。
法恩斯博士做了幾個與負lambda一致的計算。他用第一個弗裡德曼方程——就是這個東西——正確地得出結論，一個宇宙常數為負的宇宙應該有一個正弦尺度因子。他解釋說，這意味著宇宙的大小應該無休止地振盪。但這有點混亂。事實上，正弦解只對宇宙從零時間開始膨脹的正弦波比特有效——宇宙大爆炸——減慢到第一個峰值，然後再次崩潰。負宇宙學常數是減速和隨後加速崩潰的根源。但沒有真正的振盪。宇宙的盡頭就在這裡，它回到了零大小。把負質量插入廣義相對論，就可以打破因果關係。你可以建造可穿越的蟲洞，阿爾庫比特曲場，時間機器。
這是負質量不可能存在的強烈跡象。但是數據呢？一個具有恆定負能量密度的宇宙是否符合觀測結果？有兩件事要檢查。首先，它是否預測了符合最初發現暗能量的超新星觀測的膨脹歷史？這些超新星的結果表明，宇宙開始迅速膨脹，然後由於物質的重力（主要是暗物質）而減速。但隨後，隨著暗能量的湧入，減速又轉了過來，導致電流加速膨脹。在負宇宙學常數和這種正弦膨脹的情況下，任何減速都會發生在轉折點附近，估計未來會有數百億年。這很難符合超新星的數據。法恩斯假設負能量密度很低，計算出了他宇宙138億年的年齡，但這實際上相當於正弦曲線上升的第一個直線部分，這幾乎是一個恆定的膨脹率。我們已經知道，一個恆定的膨脹率恰好給出了一個與標準暗能量年齡相似的年齡。但是一個恆定或接近恆定的膨脹率絕對不符合超新星的數據。第二件要檢查的是宇宙微波背景。很快，大爆炸餘輝中的密度波動揭示了空間平坦的宇宙。暗能量，加上它的正能量密度，加上規則物質和暗物質的能量，就需要解釋這個空間平坦的宇宙。如果你用負能量物質代替暗能量和暗物質，那麼宇宙就會變成負彎曲。我們稱之為反干擾空間。正如法恩斯所指出的，這對弦理論家是有益的，但對觀察者則不是，因為這與我們所看到的不一致。所以這篇論文有一些非常有趣的想法，但最終並不能保持一致。
傑米·法恩斯他是個天才的天體物理學家。這些星系旋轉的模擬是令人著迷的。看到這樣的邊緣思想是很勇敢的，但也許在沒有得到宇宙學家的三重檢驗之前不要做發佈。
畢竟，在可能不是負質量、反引力、正壓力時空的情況下，很容易被複合負離子混淆。
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