也許愛因斯坦不是唯一正確的人,超級電腦模擬顯示變色龍理論或許可改變對重力的認知

愛因斯坦廣義相對論或許不是唯一可以解釋重力如何作用及星系形成等現象的理論。英國杜倫大學物理學家Christian Arnold和Baojiu Li等人透過超級電腦進行一項龐大的宇宙模擬測試替代理論(alternative theory),結果發現f(R)重力理論(f(R) gravity),即所謂的「變色龍理論(Chameleon Theory)」,也能解釋宇宙中各種結構的形成原因。相關論文發表在自然天文(Nature Astronomy)期刊上。

杜倫大學研究團隊以超級電腦模擬盤狀星系形成的影像。Credit: Christian Arnold/Baojiu Li愛因斯坦廣義相對論可以解釋宇宙中大型天體的重力效應,例如水星軌道的攝動問題。它幾乎是現代宇宙論的基礎,但與每天的生活也息息相關,例如智慧型手機上定位用的GPS就是根據廣義相對論來計算。之所以稱為「變色龍理論」,是因為它能根據環境而改變性質;這個理論被視為廣義相頓論的替代理論或說修正重力理論,但這並不代表廣義相對論是錯的,只是多了一種可以解釋重力結構的方式。

科學家之前已經知道f(R)重力理論能如同廣義相對論一樣,成功地證明太陽系的演化過程。但杜倫大學物理學家的新研究更顯示f(R)重力理論也能應用在極大宇宙尺度範圍內的星系形成過程上,並能協助科學家進一步瞭解暗能量(dark energy)的性質。

這些科學家以變色龍理論模擬重力交互作用和星系中心的超大質量黑洞。由於超大質量黑洞再吞噬周圍物質的過程中,會向外拋出熱和物質,使得原本能形成恆星的氣體原料被推散而抑制了新恆星的形成,因此超大質量黑洞是星系形成與演化的關鍵。超大質量黑洞拋出的熱能有多少,會隨重力改變而改變,進而影響星系如何形成。然而變色龍理論新模擬結果顯示:即使將應用變色龍理論而造成的重力改變計入,像銀河系這樣的盤面螺旋星系最後仍然能形成。

在廣義相對論中,宇宙加速膨脹是暗能量驅使的;暗能量是一種神秘的宇宙組成,最簡單的型態可視為是一種宇宙常數,其密度不隨時間與空間而改變。然而,考慮到對暗能量實在所知甚少,所以科學家也常用如變色龍理論這樣的修正重力理論來解釋宇宙加速膨脹的現象,或許能更稍進一步地瞭解宇宙加速膨脹的特性。

杜倫大學團隊希望建置在澳洲和南非的平方公里電波陣列(Square Kilometre Arra,SKA)於2020年正式觀測運作後,能測試他們這次的模擬成果是否正確。SKA建置完成後,將成為全球最大的電波望遠鏡,其主要目標就是挑戰愛因斯坦廣義相對論,檢視宇宙大霹靂之後的第一代恆星和星系如何形成,並協助科學家瞭解暗能量的本質特性。

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