Bizar mørk væske med negativ masse kunne dominere universet

Det er pinligt, men astrofysikere er de første til at indrømme det. Vores bedste teoretiske model kan kun forklare 5% af universet. De resterende 95% består som bekendt næsten udelukkende af usynlige, ukendt materiale kaldet mørk energi og mørkt stof. Så selvom der er en milliard billioner stjerner i det observerbare univers, de er faktisk ekstremt sjældne.

De to mystiske mørke stoffer kan kun udledes af gravitationseffekter. Mørkt stof kan være et usynligt materiale, men det udøver en tyngdekraft på omgivende stof, som vi kan måle. Mørk energi er en frastødende kraft, der får universet til at udvide sig med en accelererende hastighed. De to er altid blevet behandlet som separate fænomener. Men mit nye studie, udgivet i Astronomi og astrofysik , antyder, at de begge kan være en del af det samme mærkelige koncept – en enkelt, samlet "mørk væske" af negative masser.

Negative masser er en hypotetisk form for stof, der ville have en form for negativ tyngdekraft - frastøder alt andet materiale omkring dem. I modsætning til velkendt positiv massestof, hvis en negativ masse blev skubbet, det ville accelerere mod dig i stedet for væk fra dig.

Negative masser er ikke en ny idé inden for kosmologi. Ligesom normal materie, negative massepartikler ville blive mere spredt ud efterhånden som universet udvider sig - hvilket betyder, at deres frastødende kraft ville blive svagere over tid. Imidlertid, undersøgelser har vist, at den kraft, der driver den accelererende udvidelse af universet, er ubønhørligt konstant. Denne inkonsekvens har tidligere fået forskere til at opgive denne idé. Hvis der findes en mørk væske, det bør ikke tynde ud over tid.

I den nye undersøgelse, Jeg foreslår en modifikation af Einsteins generelle relativitetsteori for at tillade negative masser ikke kun at eksistere, men skal skabes løbende. "Materiecreation" var allerede inkluderet i en tidlig alternativ teori til Big Bang, kendt som Steady State-modellen. Hovedantagelsen var, at stof (positiv masse) konstant blev skabt for at genopbygge materiale, efterhånden som universet udvider sig. Vi ved nu fra observationelle beviser, at dette er forkert. Imidlertid, det betyder ikke, at negativ massestof ikke kan skabes kontinuerligt. Jeg viser, at denne formodede mørke væske aldrig spredes for tyndt. I stedet opfører den sig præcis som mørk energi.

Jeg udviklede også en 3-D computermodel af dette hypotetiske univers for at se, om det også kunne forklare mørkt stofs fysiske natur. Mørkt stof blev introduceret for at forklare det faktum, at galakser spinder meget hurtigere, end vores modeller forudsiger. Dette indebærer, at noget ekstra usynligt stof skal være til stede for at forhindre dem i at snurre sig selv fra hinanden.

Min model viser, at den omgivende frastødende kraft fra mørk væske også kan holde en galakse sammen. Tyngdekraften fra den positive massegalakse tiltrækker negative masser fra alle retninger, og efterhånden som den negative massevæske kommer tættere på galaksen, udøver den til gengæld en stærkere frastødende kraft på galaksen, der tillader den at spinde med højere hastigheder uden at flyve fra hinanden. Det ser derfor ud til, at et simpelt minustegn kan løse et af fysikkens længstvarende problemer.

Er universet virkelig så mærkeligt?

Man kan argumentere for, at dette lyder lidt langt ude. Men selvom negative masser er bizarre, de er betydeligt mindre mærkelige, end man umiddelbart tror. Til at begynde med, disse virkninger kan kun virke ejendommelige og ukendte for os, da vi bor i en region domineret af positiv masse.

Uanset om det er fysisk ægte eller ej, negative masser har allerede en teoretisk rolle på en lang række områder. Luftbobler i vand kan modelleres som havende en negativ masse. Nyere laboratorieforskning har også genereret partikler, der opfører sig nøjagtigt, som de ville, hvis de havde negativ masse.

Og fysikere er allerede fortrolige med begrebet negativ energitæthed. Ifølge kvantemekanikken, det tomme rum består af et felt af fluktuerende baggrundsenergi, der steder kan være negativt – hvilket giver anledning til bølger og virtuelle partikler, der popper ind og ud af eksistensen. Dette kan endda skabe en lille kraft, der kan måles i laboratoriet.

Den nye undersøgelse kan hjælpe med at løse mange problemer i moderne fysik. strengteori, som er vores bedste håb for at forene kvanteverdenens fysik med Einsteins teori om kosmos, ses i øjeblikket som værende uforenelig med observationsbevis. Imidlertid, strengteori antyder, at energien i det tomme rum skal være negativ, hvilket bekræfter de teoretiske forventninger til en negativ masse mørk væske.

I øvrigt, holdet bag den banebrydende opdagelse af et accelererende univers opdagede overraskende beviser for en negativ massekosmologi, men tog den rimelige forholdsregel at fortolke disse kontroversielle resultater som "ufysiske".

Teorien kunne også løse problemet med at måle universets ekspansion. Dette forklares af Hubble-Lemaître-loven, observationen af, at fjernere galakser bevæger sig væk med en hurtigere hastighed. Forholdet mellem hastigheden og afstanden af ​​en galakse er sat af "Hubbles konstant", men målinger af den er fortsat med at variere. Dette har ført til en krise i kosmologien. Heldigvis, en negativ massekosmologi forudsiger matematisk, at Hubble-"konstanten" skulle variere over tid. Klart, der er beviser for, at denne mærkelige og ukonventionelle nye teori fortjener vores videnskabelige opmærksomhed.

Hvor skal man hen herfra

Skaberen af ​​området for kosmologi, Albert Einstein, overvejede – sammen med andre videnskabsmænd inklusive Stephen Hawking – negative masser. Faktisk, i 1918 skrev Einstein endda, at hans generelle relativitetsteori måske skulle modificeres for at inkludere dem.

På trods af disse anstrengelser, en negativ massekosmologi kunne være forkert. Teorien ser ud til at give svar på så mange aktuelt åbne spørgsmål, at forskere – ganske rigtigt – vil være temmelig mistænksomme. Imidlertid, det er ofte de out-of-the-box ideer, der giver svar på langvarige problemer. De stærke akkumulerende beviser er nu vokset til det punkt, at vi må overveje denne usædvanlige mulighed.

Det største teleskop, der nogensinde er blevet bygget - Square Kilometer Array (SKA) - vil måle fordelingen af ​​galakser gennem universets historie. Jeg planlægger at bruge SKA til at sammenligne dens observationer med teoretiske forudsigelser for både en negativ massekosmologi og standarden – hvilket hjælper til i sidste ende at bevise, om negative masser eksisterer i vores virkelighed.

Hvad der er klart er, at denne nye teori genererer et væld af nye spørgsmål. Så som med alle videnskabelige opdagelser, eventyret slutter ikke her. Faktisk, søgen efter at forstå den sande natur af denne smukke, forenet, og – måske polariseret – universet er kun lige begyndt.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.