Only Perception: 暗物質也許是量子真空所造成的錯覺

2011-08-14

暗物質也許是量子真空所造成的錯覺

Dark matter may be an illusion caused by the quantum vacuum
http://www.physorg.com/news/2011-08-dark-illusion-quantum-vacuum.html

By Lisa Zyga, August 11, 2011

(PhysOrg.com) -- 天文物理學中，最大的未解問題之一為：若僅考慮到現存重子（baryonic）物質（正常物質）的總量，星系與星系團（galaxy clusters）會旋轉的比預期快。快速運行所需中心質量，比鄰近恆星、塵埃以及其他重子天體所能提供的還要更大，這導致科學家提出，每個星系都處於非重子粒子所構成的暗物質的光環中（到目前為止仍不可偵測）。身為開始對暗物質（dark matter）起疑的眾多科學家之一，CERN 物理學家 Dragan Slavkov Hajdukovic 提出：「暗物質的錯覺（the illusion of dark matter）」也許起因於量子真空（quantum vacuum）的重力極化（gravitational polarization）。

"我論文的關鍵訊息是，暗物質也許不存在，而歸因於暗物質的現象也許能以量子真空的重力極化來解釋，" Hajdukovic 表示。"未來的實驗與觀測將揭露我的結果只不過是（令人驚訝的）數值巧合或是一場新科學革命的浮現。"

如同他先前一項成為 PhysOrg 焦點、關於一個由物質與反物質相繼主宰之循環宇宙的研究，Hajdukovic 這一篇關於暗物質替代方案的論文也是一次嘗試，試圖在不需假設未知形態物質與能量存在的情況下，或不需假設未知暴漲以及物質--反物質不對稱的機制下，理解宇宙學的現象。在星系的快速旋轉曲線的例子中，他解釋，在理解這種現象上，目前有二個學派。

"第一個學派訴諸暗物質的存在，而第二個則涉及我們重力定律的修改，" 他說。"我提出第三種方法，不需要引入暗物質也不需要重力定律的修改。"

他的點子（如同先前論文中的那些）寄託在這個關鍵假設上：物質與反物質在重力上相斥（gravitationally repulsive），那是由於『粒子與反粒子有記號相反的「重力荷（gravitational charge）」』這個事實。（然而如同物質，反物質在重力上吸引自身）對於物質與反物質是否在重力上相斥，目前仍然未知，然而，有幾項實驗（最矚目的是 CERN 的 AEGIS 實驗）目前正在測試相關概念。

"考慮重力時，主流物理學假設，只有一種「重力荷」存在（以慣性質量 (inertial mass) 確認），但我假設，如同電磁交互作用的例子，這裡有二種「重力荷」：屬於物質的「正重力荷（positive gravitational charge）」，以及屬於反物質的「負重力荷（negative gravitational charge）」，" Hajdukovic 解釋。

若物質與反物質在重力上相斥，那便意味著以有限時間存在於量子真空中的虛粒子--虛反粒子對是「重力偶極（gravitational dipoles）」。此即，每一對粒子對形成一個系統，在其中，虛粒子有「正重力荷」，而虛反粒子則有「負重力荷」。在此情境下，量子真空包含許多虛重力偶極，採取偶極流體（dipolar fluid）的形態。

"我們能將我們的宇宙設想成二互相交互作用實體的聯集，" Hajdukovic 說。"第一個實體是我們的「正常」物質（因此我們不需要假設黑物質與暗能量的存在），沈浸在第二個實體 -- 量子真空 -- 中，那可想成不同種類的虛偶極，包括重力偶極，所形成的海洋。"

他繼續解釋，量子真空中的虛重力偶極能被鄰近重恆星與星系中的重子物質重力極化（gravitationally polarized）。當虛偶極排列時，它們能產生額外的重力場，那能與恆星及星系所產生的重力場結合。照這樣，重力極化的量子真空能在星系的旋轉曲線上產生相同的「加速」效應，既不需要假想的暗物質與暗能量，或是修改重力定律。

如 Hajdukovic 的解釋，藉由觀察一電場而非重力場引起的極化時會發生什麼事，可進而理解更強的重力場的效應。他給一個介電質板（dielectric slab）被插入平行板電容器（parallel plate capacitor）的例子，那導致板之間的電場減弱。減弱是因為相反記號的電荷會吸引彼此。但如果相反記號的電荷相斥而非相吸，那麼電場將會增強。回到量子真空的情境，因為相反記號的「重力荷」相斥，因此重力場的強度增加。

在他的論文中，Hajdukovic 亦提出方程式以支持這種情節，其中一個等式能計算從一星系的中央開始到不同距離時的重力極化效應，那與觀測相符（in good agreement with）。他亦導出著名的 Tully-Fisher relation，那是物質與反物質間，重力相斥所造成的後果。Tully-Fisher relation 是一種經驗法則，基於眾多星系與星系團之觀測所收集的數值資料，而且在暗物質假說的框架中，仍無法解釋。

總而言之，Hajdukovic 的提議與物理學家 Luc Blanchet 及 Alexandre Le Tiec 在過去幾年內所提出另一種概念截然不同。雖然那點子也涉及到重力偶極（而非量子真空中的虛重子物質）所組成的偶極流體，不過該偶極流體是一種新形態的暗物質。暗物質被重子物質（例如重恆星與星系）的重力場重力極化，那導致更強的重力場。換言之，Blanchet 與 Le Tiec 提出的暗物質屬於本質未知的重力偶極形態，能調解（reconcile）暗物質與修正牛頓力學（MOND）理論，那是一種重力的修改；另一方面，Hajdukovic 提出，量子真空中的虛重力偶極能導致更強的重力場。

最後，Hajdukovic 提到，在宣稱這種可能性是正確的之前，仍有許多研究需要完成。首先，星系的旋轉曲線並非唯一可由暗物質解釋的現象。宇宙微波背景的觀測、重力透鏡、超新星以及其他資料都能因暗物質的存在而獲得更好的解釋。由於許多科學家目前在研究暗物質與其他替代方案，Hajdukovic 希望新答案將持續被發現。

※ 相關報導：

＊ Is dark matter an illusion created by the gravitational polarization of the quantum vacuum?
http://www.springerlink.com/content/g332701735121773/