(圖:Volker Springle/Max Planck Institute for Astrophysics/SP)

天文學家在 1998 年發現,宇宙正在不斷加速膨脹的速度。這與愛因斯坦廣義相對論的預測矛盾,因此物理學家猜測宇宙中可能充滿了一種未知、作用於時空本身的能量——暗能量(dark energy)。英國一名物理學家藉由修改廣義相對論,提出了一種不需暗能量便能解釋宇宙加速膨脹的新理論。

暗能量

目前天文物理學家普遍認為,宇宙是由來自一密度極大且溫度極高的奇點引起的大爆炸擴張而成的。根據愛因斯坦在廣義相對論中對重力的解釋,宇宙粒子彼此間的引力應該會逐漸減緩宇宙擴張的速度。但一組研究團隊在 1998 年時藉由觀測超新星,發現了宇宙的膨脹速度不僅未減緩,甚至仍在持續加速。對此,物理學家提出了暗能量的概念,試圖解釋此現象,但仍未有理論能完整解釋暗能量的存在。

重力子具有質量

粒子物理學的標準模型(Standard Model)是目前不與量子力學與狹義相對論衝突,最接近萬有理論的理論。其描述了四種宇宙基本力——強核力、弱核力、電磁力與重力,分別有對應的玻色子(Boson)能夠解釋其作用機制,分別是膠子(gluons)、W 與 Z 玻色子(W & Z Boson)、光子(photon)與重力子(graviton)。其中前三者已在實驗中證實與標準模型的預測行為相符,僅有重力子至今仍未發現且有許多爭議存在。

愛因斯坦的廣義相對論假設了重力子應該不具有質量。但倫敦帝國學院(Imperial College London)物理學家克勞迪亞·德·姆拉教授(Claudia de Rham)於 2011 年在《物理評論快報》(Physical Review Letters)發表了一篇論文,內容表示若重力子具有質量,那麼重力在長距離的尺度下會有比預期更弱的作用力。如此一來便能解釋宇宙為何沒有被本身粒子間的引力作用而減緩膨脹速度。

該理論最近獲得了布拉尼瓦克青年科學家獎(Blavatnik award for young scientists)的資助,讓德·姆拉教授得以持續進行相關研究。

重力波觀測

德·姆拉教授的新理論假說近年來開始獲得該領域的關注。但她指出,雖然該理論在數學上沒有矛盾,並不表示其能反映宇宙實際的運作機制。然而,重力子具有質量的假說是能夠藉由實驗證實的,若重力子確實具有質量,那麼重力波(gravitional wave)應該會帶有動量(momentum)。目前的研究未發現重力波具有動量,但在未來相關觀測儀器更進一步升級後,有望能驗證此新理論。

參考資料:

  1. Houser, K. (2020, January 27). New theory could solve universe’s biggest paradox. Futurism
  2. Devlin, H. (2020, January 25). Has physicist’s gravity theory solved ‘impossible’ dark energy riddle? TheGuardian
  3. Rham, C. D., Gabadadze, G., & Tolley, A. J. (2011). Resummation of Massive Gravity. Physical Review Letters106(23). doi: 10.1103/physrevlett.106.231101
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