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地球是在一個巨大的虛空之中嗎? 那它可以解決宇宙學最大的難題
2023/12/05

你是否曾經想過,我們的地球可能是在一個巨大的空洞中漂浮? 這聽起來可能很荒謬,但這可能是解決宇宙學中最大的謎題的關鍵:宇宙膨脹的速度。 這個速度決定了宇宙的年齡、大小和未來,但不同的測量方法卻給出了不同的結果,讓科學家感到困惑。

今天,我們將介紹一個大膽的假設:我們可能生活在一個密度低于平均的區域,也就是一個虛空中。

這個虛空會影響我們對宇宙膨脹的觀測,進而導致哈伯緊張。 今天將介紹科學家們是如何使用一種稱為修正牛頓動力學(MOND)的替代理論來建立我們的模型,並與觀測資料進行比較。他們的研究可能揭示了一個需要改變我們對重力理論的認識的跡象。

首先,讓我們回顧一下宇宙膨脹的基本概念。

宇宙膨脹是指宇宙中的空間正在不斷地擴張,使得星系彼此遠離。

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這個現像是由美國天文學家埃德溫·哈伯在上世紀20年代發現的,他觀察到了遠處星系的紅移,即它們發出的光的波長被拉長,看起來更紅。

這顯示了這些星係正在遠離我們,並且它們離我們越遠,移動得越快。

哈伯發現了一個簡單的公式來描述這種關係,即哈伯定律,而裡面有一個常數,稱為哈伯常數。

這個常數決定了宇宙膨脹的速率,也就是宇宙的尺度因子(即空間的大小)隨時間的變化率。

如果我們知道了哈伯常數的值,我們就可以計算出宇宙的年齡,也就是從宇宙大爆炸開始到現在的時間。

因此,哈伯常數是一個非常重要的物理量,它可以告訴我們宇宙的歷史和命運。 但是,要準確地測量它並不容易。

科學家使用了不同的方法,基于不同的物理過程和假設,來估計哈伯常數的值,但卻得到了不一致的結果。

這就是所謂的哈伯緊張,它是宇宙學中最大的謎之一。

目前,宇宙學的標準模型是Lambda-冷暗物質(ΛCDM)模型,它假設宇宙由三種主要的成分組成:普通的物質,佔宇宙總能量密度的約5%;暗物質,佔約27%,它是一種不發光也不與電磁波相互作用的物質,只能透過重力來探測;暗能量,佔約68%,它是一種使宇宙加速膨脹的神秘力量,其本質仍然不清楚。

ΛCDM模型可以很好地解釋許多宇宙觀測,特別是宇宙微波背景(CMB)的性質。 CMB是宇宙大爆炸後留下的最古老的光,它記錄了宇宙早期的溫度和密度的漲落,這些漲落最終形成了今天我們看到的星系和星系團。 透過對CMB的精確測量,我們可以推斷出宇宙的幾何形狀、成分和演化歷史,以及哈伯常數的值。

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根據最新的CMB數據,哈伯常數的值約為每秒112公里每百萬秒差距。

然而,當我們使用另一種方法來測量哈伯常數時,就會出現問題。

這個方法是基于我們對附近星系的觀測,特別是一種叫做Ia型超新星的特殊天體。 這些超新星是由白矮星引爆產生的,它們的亮度非常高,可以與整個星系相媲美。

更重要的是,它們的亮度是已知的,因此我們可以透過測量它們的亮度和紅移來計算它們的距離和速度,從而得到哈伯常數的值。

使用這種方法,哈伯常數的值約為每秒123公里每百萬秒差距,比基于CMB的值高出約10%。 這個差異超出了測量誤差的范圍,因此不能簡單地歸因于儀器或數據處理的不準確。

這意味著我們可能遺漏了一些重要的物理,或者我們的標準模型有一些嚴重的缺陷。

那麼,有沒有可能解釋這個矛盾呢?

在科學家們的新論文中,他們提出了一個可能的解釋,即我們生活在一個巨大的虛空中。

這個虛空是一個密度低于平均的區域,它的大小可以從幾百萬光年到幾十億光年不等。

在這個虛空中,物質的分佈是不均勻的,這會影響我們對宇宙膨脹的觀測。

具體來說,一個虛空會導致兩種效應:一種是紅移的局部增強,另一種是光的彎曲。

所謂紅移的局部增強是指,當我們觀測一個虛空中的星系時,它的紅移會比我們預期的要大,因為它不僅受到宇宙膨脹的影響,還受到虛空中物質的流出的影響。

當虛空周圍的密度較高的區域將其拉開時,流出就會發生,它們將施加比虛空內部較低密度物質更大的

而紅移呢,是當我們觀測一個虛空中的星系時,它的紅移會比我們預期的要大,因為它不僅受到宇宙膨脹的影響,還受到虛空中物質的流出的影響。

當虛空周圍的密度較高的區域將其拉開時,流出就會發生,它們將施加比虛空內部較低密度物質更大的引力。

這就意味著,如果我們忽略了虛空的存在,我們就會高估星系的距離,進而高估哈伯常數的值。

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此外,當我們觀測一個虛空外的星系時,它的光線會在穿過虛空的邊緣時被偏折,因為虛空的邊緣相當于一個透鏡,會改變光線的方向。

這種效應被稱為「弱引力透鏡」,它會導致星系的亮度和大小的變化,以及它們的位置的偏移。

這意味著,如果我們忽略了虛空的存在,我們就會誤判星系的亮度和位置,從而誤判它們的距離和速度,從而誤判哈伯常數的值。

這樣看來,一個虛空會使我們對宇宙膨脹的局部測量產生偏差,導致哈伯緊張。

那麼,我們生活在一個多大、多深的虛空中呢?

為了回答這個問題,科學家們就需要建立一個數學模型,來描述虛空的形狀、大小和密度分佈,以及它對我們的觀測的影響。

然而,這並不是一件容易的事情,因為我們不能直接觀測虛空,只能透過它對周圍物質的影響來推斷它的性質。

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此外,科學家還需要考慮其他的物理因素,例如宇宙的成分、演化和幾何形狀,以及我們的位置和運動。

為了簡化問題,科學家假設虛空是球形的,它的密度隨著半徑的增加而線性地增加,直到達到宇宙的平均密度。

科學家們也假設我們位于虛空的中心附近,這樣我們就可以忽略虛空的不對稱性和我們的運動對觀測的影響。

有了這些假設,我們就可以使用一種稱為修正牛頓動力學(MOND)的替代理論來建構我們的模型。

MOND是一種試圖解釋星系旋轉曲線中的異常而不需要暗物質的理論,它認為當重力非常弱時,牛頓引力法則會失效,而被一種不同的規律所取代。

這意味著,在強引力的情況下,MOND會回歸到牛頓引力,而在弱引力的情況下,MOND會給出一個不同的結果。

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MOND的一個重要特徵是,它可以導致宇宙中的結構(如星系和星系團)更快地形成和增長,這可能與我們觀測到的宇宙的不均勻性一致。

科學家們使用MOND來計算虛空中的物質的流出速度,以及虛空對光線的彎曲效應,從而得到我們對哈伯常數的預測。

他們發現,為了解釋哈伯緊張,我們需要生活在一個半徑約為十億光年,密度約低于宇宙平均20%的虛空中。

這樣一個巨大而深的虛空在標準模型中是非常罕見的,因為它與CMB的觀測相矛盾,它表明宇宙的物質應該相當均勻地分佈。

然而,科學家們的模型並不是基于標準模型的,而是基于MOND的,它允許更大的密度波動和更快的結構形成。

因此,他們的模型並不是完全不可能的,只是非常不尋常的。

當然,科學家們的模型還需要透過更多的觀測資料來檢驗和驗證。

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他們已經使用了一些最新的星系觀測資料來對我們的模型進行了一個關鍵的新測試,即對所謂的整體流的測量。

整體流是指給定區域內物質的平均速度,它反映了宇宙中的[[[[大尺度]]]]的密度波動。 科學家們發現,他們的模型可以很好地解釋最近觀測到的整體流的速度和尺度,它們與標準模型的預測有很大的差異。

這是科學家們的新模型的一個有利的證據,也是一個挑戰標準模型的線索。

有些人認為只需要更精確的測量,或是對標準模型做一些小的調整,就可以消除這個矛盾。 但這些方法都存在一些問題和困難,而且沒有得到令人信服的證據。

此次科學家們的方法是完全不同的,他們不是試圖修補標準模型,而是嘗試用一種全新的視角來看待宇宙,即我們生活在一個巨大的虛空中,而且引力的規律在[[[[大尺度]]]]上是不同的。

這可能聽起來很瘋狂,但也許正是這種瘋狂的想法,才能揭示宇宙的真相。

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