民科时间:关于暗物质和光速的猜想

Disclaimer:以下内容部分来自于一个背弃了物理的ECE学生脑洞,谨慎阅读。

最近在学校做一个关于暗物质的研究。说是研究,实际上是根据学校里一位数学教授(Hubert Bray)所提出的一个暗物质模型来设计一套星系从gas cloud形态发展成为稳定星系的模拟器。模拟器生成的结果用于和观测到的星系进行对比来验证理论是否靠谱。他的理论模型在2010年就发了paper(paper在这里),并且paper里面已经涵盖了最开始版本的模拟器生成的结果。虽然跟本文没啥大关系,但是还是根据我的理解稍微提一下这个paper大概讲了什么。这个paper大概的意思是,爱因斯坦的广义相对论模型限于当时的数学水平,选择了一个所谓torsion free的spacetime manifold来作为我们时空的性质的条件,导致暗物质无法用spacetime本身来解释,而必须依赖譬如particle theory of dark matter等把暗物质当作是particle或者field?的理论来解释。而Hubert Bray教授则去掉了torsion free这个限制(和另一个metric compatibility限制which我完全不知道什么意思),从而推导出了一套新的暗物质模型。在这个模型里,spacetime manifold 的 torsion本身可以产生一个scalar field,并且这个scalar field可以被理解成暗物质。

以下开始脑洞。

大概看了这个paper之后,我就在想一个问题:如果暗物质来源于spacetime本身的torsion,那么有么有可能真空光速在这个spacetime的不同地方也是不一样的呢?当然,由于完全看不懂paper里面的数学,我并没有办法自己去验证这个想法,改日找Bray聊聊再来更新。那么假设这个想法是成立的,也许会有些有趣的推论,比如说星系内和星系间的光速不等。根据观测结果,大家都同意这么一件事儿,就是尽管我们的星系本身(只看baryonic matter)是disc形状的,暗物质其实是ellipsoidal的,就像一个halo一样包裹着星系。这个ellipsoidal内部的暗物质密度远远大于别处。也就是说,星系间的暗物质密度远远小于星系内的暗物质密度。这样一来,如果我们可以在近地球的真空进行光速测量的实验,又能在银河系外(星系间)进行光速测量的话,我们应该会发现真空光速其实是不一样的。我猜想星系间的真空光速应该会比星系内快不少。

接下来我们再来考虑这个暗物质halo形成原因。比较合理的是,baryonic matter的分布可以影响暗物质分布。的确,既然mass-energy可以curve spacetime,那么mass-energy同样会改变spacetime的torsion。所以说,baryonic matter集中的位置附近的光速或许会比没有baryonic matter的地方更慢。那么,假设我们可以得到一种折射率无限接近于1的物质,并且这种物质拥有比较大的密度,我们就可能进行以下实验来验证上述关于暗物质影响光速的实验。具体做法是先测量填满了这种物质的管道中的光速,然后再测量将管道抽真空之后的管道内光速。由于我们假想的物质可以改变暗物质分布,光速就该被影响,但是改影响不应该来自于这种物质本身因为这种物质本身的折射率接近于1。当然,也有可能物质对spacetime torsion的改变过于均匀导致光速变化非常非常小使得实验无效。

不得不想到三体中曲率飞船轨迹中光速的改变啊。说不定,光速真的就是这样被defined。如此一来,无限光速也成了可能?

Leave a Reply