主题：【分享】暗能量淡出 反引力亮相——科学家提出宇宙加速膨胀新解

科技日报    2012年04月03日 星期二

本报记者 常丽君 综合外电

    1998年，科学家发现宇宙的膨胀有一个加速度，因此提出了暗能量的假设，作为这种加速度的动力。但直到现在，人们也不清楚这种暗能量到底是什么。对一些科学家而言，与其说它是个答案，不如说它是个问题。有人说暗能量只是标准宇宙模型中的专用概念，缺少其他物理含义，他们一直在为宇宙的加速膨胀寻找新解释，而替代暗能量的另一种假说就是反万有引力，这种反引力来源于隐藏在虚空中的反物质。

    宇宙巨洞的反物质

    宇宙巨洞（Cosmic voids）是指宇宙大尺度结构上的物质稀薄区域，含有很少或完全不包含任何星系。意大利国家天体物理学院科学家马西莫·维莱特说：“人们能清楚地观察到宇宙巨洞，这是我们宇宙中最大的组成结构。但它们是否真是空的？还是包含了具有反引力性质的反物质？”他在近期出版的《天体物理和空间科学》上发表论文，提出在这些巨大的空洞中可能隐藏着反物质，反物质和物质由于万有引力互斥作用而分离开来。根据广义相对论预言，物质带有正引力荷，反物质带有一种假设的负引力荷，而万有引力的相互作用是同性相吸，异性相斥，因此物质和反物质之间存在万有引力互斥作用。

    根据维莱特的计算，物质和反物质之间的引力互斥非常强，足以造成宇宙的加速膨胀，从而不再需要暗能量和暗物质。

    这种假设在理论上能解释一些无法用暗能量来解释的观察现象：宇宙的膨胀速度并不均匀。最近，科学家观察到一种运动异常的“局部层”，是包括银河系及其他附近星系的宇宙部分，这一局部层的速度和宇宙其他部分明显不同。

    天文学家已经找到了3种推动局部层运动的因素：一是附近稠密的室女星系团的吸引力；二被认为是人马座星系团的吸引力，但这一点还不太确定；第三正是造成这种“局部速度异常”的力，因为这种力并没有朝向任何明显的结构。它和前两种吸引力明显不同，很可能是反引力。为了证明这一点，维莱特指出，位于局部层和吸引区之间的Leo Spur星系，相对于这种运动好像是静止的。因此第三种力可能是来自相反方向，对局部层的作用是推斥而不是吸引。据他推测，在某个巨洞中存在一种合理的反物质，由于互斥的万有引力作用，造成了局部速度异常。

    这样一来，反物质可能作为一种类似暗能量的东西，在宏观尺度上，大量的反物质巨洞会推动宇宙膨胀而不需要暗能量，甚至可能连大爆炸也不需要。这一新理论还暗示了，我们的宇宙具有等量的物质和反物质，正像标准宇宙模型所预期的那样。

    量子真空的虚粒子

    在过去几年中，欧洲核子研究中心（CERN）物理学家德拉根·哈杜科维克也在研究一种被忽略的宇宙部分：量子真空。他认为，量子真空中有一种万有引力荷，来源于虚粒子和虚反粒子之间的引力互斥。

    此前，他已经论证了这种反引力能解释包括暗物质效应在内的一些观察现象，还暗示了我们生活在一个无需大爆炸的循环宇宙中。此外，这一假设还能帮人们进一步了解黑洞的性质，判断中微子物质。他发表在《天体物理和空间科学》上的最新论文还证明，量子真空还能解释宇宙的加速膨胀，也不需要暗能量。

  “量子真空是60多年前提出的理论预测，现在已有明显的实验证据证明量子真空存在。而物质和反物质之间存在万有引力互斥作用，这一假设早在一个多世纪前就已提出。”哈杜科维克说，“我决定把量子真空这一事实和反粒子的负引力荷这一假设结合起来，结果令人吃惊，基于这种框架很可能解释宇宙的加速膨胀。”

    哈杜科维克的解释和马西莫·维莱特的理论相似，量子真空中的万有引力来自正反物质之间的引力互斥。物质带有正引力荷，反物质带有负引力荷，同样是同性相吸，异性相斥。不同的是，维莱特认为，带负引力荷的反物质存在于巨洞中，而不是量子真空。尽管量子真空中不含有真实的物质和反物质，但虚粒子和虚反粒子会成对地刹那生灭，变成万有引力双极子。

    “如果粒子和反粒子有着相反的万有引力荷，当万有引力场足够强时，就能将虚粒子对转化为真实的粒子对。”哈杜科维克说，“这并非新提出的假说，而是施温格量子场论的结论。”

    哈杜科维克也计算了量子真空中的万有引力双极子的能量密度，是宇宙常数的某个数量级，或者说是造成宇宙加速膨胀的力的某个数量级。宇宙大约在达到目前大小的一半时，开始加速膨胀，只比标准宇宙模型预测的略早一点。但哈杜科维克的量子真空模型和标准宇宙模型之间也有明显不同：前者预测膨胀的加速度在减小，而后者预测加速度在增大，这种差异使得二者预测的宇宙命运截然不同。

    实验检验有难度

    “科学家认为，暗能量是均匀一致地遍布于宇宙中，这样才能解释宇宙的整体加速。但它既无法解释局部层强大的反引力效应，也不能解释局部巨洞的极度虚空和银河系以外的某些性质。”维莱特说，“而提出在局部巨洞中存在反物质的暗斥力，解释了所有这些情况。而且从整体上讲，隐藏在全部宇宙巨洞中的反物质，也解释了整个宇宙的加速膨胀以及其他宇宙特征，不需要暗能量，也不需要各种离奇的大爆炸之初。”

    维莱特设想通过反引力透镜实验来进一步验证他的观点。“基本上，如果我们有一张高质量的远离巨洞的星系群三维图，就能更容易分析它们中的某些星系在视线轮廓上是否有被缩小的情况，这表示它们和间隔巨洞中的大型反物质体在一条直线上。”但这种实验会很困难，因为同时还有一种干扰效应，会让辐射状星系看起来严重扭曲：由于异常运动会影响红移检测，也会使星系群的视线轮廓收缩，而反引力透镜会让它更加缩小，要把这两种情况区别开是非常困难的。

    哈杜科维克也表示，量子真空结合反物质的负万有引力荷假设，有望解释天体物理学和宇宙学中的观察现象，不需要引入暗物质和暗能量、膨胀的神秘机制，以及物质—反物质不对称。“欧洲粒子物理研究所的AEGIS实验将通过反氢原子揭示反物质是否带有负引力荷，加州大学河滨分校也在研究电子偶素（一个电子和一个正电子组成的类原子系统）的万有引力性质。如果这是真的，将开启新一轮的科学革命。”