宇宙缺失質量在哪裡？牛津物理學家新理論可破解暗物質之謎

宇宙中最令人崩潰的謎團不外乎暗物質與暗能量，明明占據宇宙總質量 95%，卻行蹤成謎，摸不清本質。不過現在，牛津大學天體物理學家 Jamie Farnes 提出暗物質與暗能量其實是種隨時間不斷生成的「負質量」暗流體理論，竟輕鬆解釋了所有疑點。重要的是，這套理論與廣義相對論相容，無需顛覆愛因斯坦。

負質量（negative mass）是理論物理學中一種假設的物質形式，其質量正負值與正常物質相反。這裡務必要注意的是，「負物質」與「反物質」（antimatter）是完全不同的概念，負物質擁有負質量 / 負能量，但反物質擁有正質量 / 正能量，且反物質與普通物質一樣受重力場吸引，但負物質不受重力場吸引，反而受其排斥；也可以說，如果你推動一個負質量物質，它不會順著你的力量遠離，反而會靠近你。

過去已經有科學家提出負物質概念，但過去認為負質量粒子會隨著宇宙膨脹而變得稀薄、分散，排斥力也隨時間推移變弱，與實際觀察到的宇宙正加速膨脹且充滿暗物質、暗能量結果矛盾，科學家只好將理論丟到一旁。

現在 Jamie Farnes 稍加修改愛因斯坦的廣義相對論，提出新的負物質其實一直隨著宇宙膨脹不斷生成。此前，穩態理論（Steady State Theory）也假設過新的（正）物質會隨著宇宙擴張不斷產生，使宇宙符合完美宇宙學原理（Perfect Cosmological Principle），但觀察表明該理論不正確；而 Jamie Farnes 修正後指出，穩態理論的假設並不包括負物質在內。

認定暗物質與暗能量都是一種負質量流體後，Jamie Farnes 以此開發一套 3D 電腦模型，看看是否能解釋星系的暗物質暈（註）構造。正常來說，星系的旋轉速率應該隨著與核心距離增加而減少，但實際觀測發現，星系外側旋轉速度並未如預期減少，而是與內側持平，因此科學家提出外側有暗物質暈填充，方能解釋星系外圍不至於因過大離心力而脫離。

▲ 典型的螺旋星系自轉曲線，預測曲線（A）與觀測曲線（B）矛盾。（Source：PhilHibbs [GFDL, CC-BY-SA-3.0 or CC BY-SA 2.0 uk], from Wikimedia Commons）

而 Jamie Farnes 的模擬結果證實，帶有正質量物質的星系會從各方向吸引負質量物質（暗物質與暗能量），負物質又對星系施加排斥力，能使星系以更高的速度旋轉、不至於撕裂自己。

看起來，這套新理論不需要顛覆愛因斯坦，不需要萬有理論或修正牛頓理論（MOND），就可以解釋宇宙那些神祕的缺失質量了。

Jamie Farnes 希望可以使用下一代巨型無線電望遠鏡「平方公里陣列（Square Kilometre Array，SKA）」來證實負物質說法，該望遠鏡陣列正在建造中。如果 Jamie Farnes 的理論正確，我們將能修正目前天文學家廣泛認同的宇宙 ΛCDM 模型（LambdaCDM Model），認清暗物質與暗能量的本質：也許我們只是忘記在物質前面加上一個簡單的減號。

新論文發表在《天文學和天體物理學》期刊。

註：暗物質暈是環繞在星系外圍的暗物質。

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（首圖來源：pixabay）