在找论文的时候，偶然看到了一个非常有意思的理论，跟大家一起分享下。牛津大学的天体物理学家Jamie Farnes在2018年发表了一篇论文，暗示暗能量和暗物质都可能来自同一现象。这个想法非常疯狂：负质量粒子在星系之间不断出现。论文标题大致翻译为：“暗能量和暗物质的统一理论：修正ΛCDM框架内的负质量和物质创造”。

基础知识

暗物质：星系旋转得太快了，仅基于可见物质的引力，它们不应该能够将自己保持在一起。因此我们得出结论，星系以及宇宙的物质是我们实际看到的物质的5-10 倍。我们称它为暗物质，并且尽可能地尝试找到构成它的粒子。

暗能量：对遥远超新星的观测告诉我们宇宙的膨胀正在加速。如果空间本身有一点点能量，那么这种加速度与你会得到的效果相匹配。由于膨胀而产生的空间越多，你获得的“暗能量”就越多，从而导致更大的加速度。实际上，我们必须更加努力地思考为什么暗能量会导致加速膨胀，这对新论文很重要。

暗能量的标准解释是空间中实际大于零的能量。根据爱因斯坦的广义相对论，任何这样的正能量都会产生向内的引力，暗能量也是如此。那么，为什么它会导致向外推动的加速扩张呢？在前面的文章中，我们拆开第二个弗里德曼方程，它是爱因斯坦方程的解。它告诉我们宇宙膨胀的加速度，如果空间有一个恒定的正能量密度，那么它也有一个负压，负压会产生反引力效应。

所以暗能量其实有两个竞争效应：它的正能量密度给它一个正引力效应，但它的负压是反引力的。现在的情况是，后者获胜，因此宇宙的膨胀加速。暗能量的能量密度是恒定的，因此它不会随着宇宙的膨胀而稀释。在爱因斯坦方程和弗里德曼方程中，恒定的能量密度由宇宙学常数Λ表示。一个正的Λ意味着加速扩张。

论文简介

现在，我们已经有足够的基础知识了，让我们看看论文。Jamie Farnes正在寻找一种方法来获得反引力效应，从而解释暗能量和暗物质。他试图以非常不同的方式做到这一点：负质量。在物理学中，我们通常假设质量总是正的，正质量和能量总是具有正引力效应，它们吸引其他东西。但如果负质量存在，情况就会变得很复杂，我们将按照论文的论点来处理负质量，它基于牛顿物理学。

在牛顿引力中，将两个质量相乘，以获得它们相互引力的强度。根据定义，两个正质量总是会产生吸引力。两个负质量应该也互相抵消对方的负号，所以也产生吸引力。但是对于一个负质量和一个正质量，最终的引力具有相反的符号，这使得它具有排斥性。

Farnes将牛顿的论点更进一步。对于正质量，加速度的方向与施加力的方向相同。对于负质量，加速度与施加的力方向相反。将负质量推离你，它会向你移动；拉它，它会离你远去。根据这个解释，两个负质量之间的“吸引力”实际上应该将它们分开，这可以取代暗能量。同时，负质量和正质量之间的排斥力应该排斥正质量并吸引负质量，这会给我们提供暗物质替代品。

负质量模拟

让我们从暗物质开始解释，因为这更简单一些。作者使用这些负质量粒子和正质量粒子相互作用的想法来创建N体模拟。基本上，他将一个虚拟宇宙编程到他的计算机中，其中包含正负质量粒子，以及他对牛顿定律的解释。这些模拟表明，当被负质量粒子包围时，星系确实旋转得更快。这是因为星系中的正质量吸引了负质量的光晕，但同时正质量又被周围的光晕向内排斥。这将星系从外部限制在了一起，因此星系可以旋转得更快。

要使相同的负质量物质也模拟暗能量，需要一个额外的巨大假设，因为我们的负质量会随着宇宙的膨胀而稀释。为了解决这个问题，Farnes提出这些负质量是随着宇宙膨胀而不断产生的。这使负质量的密度保持不变，而正质量的密度持续下降。结果是一种非常分散的负质量流体，充满了宇宙并不断地自我补充。

前面我说过恒定的正能量密度可以表示为正宇宙学常数Λ，一个正的Λ会导致反重力负压。而一个恒定的负能量密度给出了一个负的宇宙学常数，这会产生正压，并且正压会增加引力。这种引力对于负质量来说意味着排斥，所以会产生与暗能量相同的效应。

此外，Farnes做了一些与负Λ一致的计算。他使用第一个弗里德曼方程得出了结论，一个具有负宇宙学常数的宇宙应该有一个正弦比例因子。这意味着宇宙应该在大小上无休止地振荡，也就是说宇宙从零开始膨胀至第一个峰值，然后再次坍缩。

观测结果

那么，负质量是否符合我们目前的观测结果吗？我们就以宇宙微波背景为例来反驳这种说法。在大爆炸余辉中看到的密度波动揭示了一个空间平坦的宇宙，需要具有正能量密度的暗能量，才能解释这个空间平坦的宇宙。如果你用负能量的东西代替暗能量和暗物质，那么宇宙就会变成负弯曲。