物理学家为宇宙不均匀问题研究开发出新模型

据悉,研究人员正在利用多体物理学的方法研究宇宙膨胀。在宇宙学的计算中,几乎总是假设宇宙中的物质是均匀分布的。这是因为如果要把每一颗恒星的位置都包括在内,计算就会太复杂。在现实中,宇宙并不均匀:在一些地方有恒星和行星,而在另一些地方则只有一片虚空。

物理学家为宇宙不均匀问题研究开发出新模型

来自明斯特大学理论物理研究所和软纳米科学中心(SoN)的物理学家Michael te Vrugt和Raphael Wittkowski教授跟来自法兰克福高等研究所(FIAS)的物理学家Sabine Hossenfelder博士一起为这个问题开发了一个新模型。他们的出发点是Mori-Zwanzig形式主义,这是一种用于描述由大量粒子和少量测量体组成的系统的方法。这项研究的结果现在已经发表在《Physical Review》上。

背景:由爱因斯坦提出的广义相对论是现代物理学中最成功的理论之一。在过去的五个诺贝尔物理学奖中,有两个跟它有关:2017年因测量引力波,2020年因发现银河系中心的黑洞。该理论最重要的应用之一是描述宇宙大爆炸以来的宇宙膨胀。这种膨胀的速度由宇宙中的能量数量决定。除了可见物质之外,首先是暗物质和暗能量在这里发挥了作用–至少,根据目前宇宙学中使用的Lambda-CDM模型。

Sabine Hossenfelder指出:“严格来说,将宇宙能量密度的平均值纳入广义相对论方程在数学上是错误的。”一些专家认为它无关紧要,另一些专家则认为它是解决暗能量之谜的办法,而暗能量的物理性质仍是未知的。宇宙中质量的不均匀分布可能对宇宙膨胀的速度存在影响。

“从生物物理学到粒子物理学,Mori-Zwanzig形式主义已经被成功地用于许多研究领域,”Raphael Wittkowski指出,“因此它也为这个天体物理学问题提供了一个有希望的方法。”该团队概括了这一形式主义以便将其应用于广义相对论,并在此过程中得出了一个宇宙膨胀模型,与此同时还考虑到了宇宙中物质的不均匀分布。

该模型对这些所谓的不均匀性对宇宙膨胀速度的影响进行了具体预测。这个预测跟Lambda-CDM模型给出的预测略有偏差,因此提供了一个在实验中测试新模型的机会。Michael te Vrugt表示:“目前,天文数据还不够精确,无法测量这种偏差,但所取得的巨大进展–如在测量引力波方面–使我们有理由希望这种情况会改变。另外,Mori-Zwanzig形式主义的新变体还可以应用于其他天体物理学问题–因此这项工作不仅跟宇宙学有关。”

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