这个“变色龙理论”解释了爱因斯坦无法解释的引力现象

阿尔伯特·爱因斯坦首次提出引力如何编织时空结构的想法已经 100 多年了，我们仍然没有其他模型能够更好地定义宇宙中的物体如何移动和行为。广义相对论不仅比任何提出的替代方案都更合理，而且有更好的证据，最引人注目的是近年来通过探测穿越宇宙的引力波，以及有史以来第一张黑洞照片。

但广义相对论并非完美无缺。虽然它解释了我们在宇宙中观察到的绝大多数现象，但它也留下了不少漏洞。这导致了替代引力模型的出现，这些模型试图填补这些知识空白。这些模型之一是一种名为 f(R) 引力的“变色龙理论”，本周发表在《自然天文学》上的一项新研究表明，它可能是一个可行的模型，可以描述引力如何影响已知宇宙中一些最大的物体。

“这项研究首次证明，尽管引力行为复杂，但替代引力理论仍然可以形成真实的星系，”英国杜伦大学物理学教授、新论文合著者李宝久说。“这样的研究将帮助我们检验理论的可行性，并确定我们可以使用未来观测数据测试不同引力理论的地方。”

变色龙理论是一类偏离广义相对论的引力理论的总称。标准物理学概述了四种基本力（引力、电磁力以及在亚原子层面上起作用的强相互作用和弱相互作用）的存在。但变色龙理论认为还存在一种额外的“第五种力”，它隐藏在太阳系等密集的太空区域中，但在低密度区域中影响力更大。

李说：“这种理论对环境的依赖性行为为它赢得了‘变色龙理论’的称号。”宇宙的大部分都存在于低密度环境中，这意味着很有可能找到这种变形力的迹象并用它来检验变色龙​​理论。

f(R)引力是所谓的变色龙理论之一。据李介绍，自 1970 年初以来，它就一直被当作广义相对论的替代品，在不同背景下作为引力模型进行研究，以解释宇宙的早期阶段及其当前状态。

20 世纪 90 年代和 21 世纪初，当宇宙学数据开始显示宇宙膨胀实际上正在加速时，它引起了科学家们的兴趣。李说，虽然广义相对论“在实践上”非常有效地描述了这种通过暗能量加速的膨胀，但该模型预测的结果与科学家实际观察到的数据之间存在一些差异。而我们从未真正观察到暗能量这一事实一直是广义相对论宇宙学的眼中钉。

问题就在这里：当你摆弄引力时，你基本上就是在摆弄宇宙中的其他一切。引力决定了物质如何聚集成岩石、小行星、恒星、星系——一切事物如何形成。如果 f(R) 引力是合理的，它应该会培育出一个像我们这样的宇宙，星系看起来像螺旋形和椭圆形，而不是一系列天体罗夏墨迹测试。

李和他的团队使用超级计算机模拟了 f(R) 引力引导下的宇宙，发现“像我们的银河系这样的现实星系可以形成，并且具有我们之前观察到的特性，即使在第五种力的复杂行为中也是如此，”他说。尽管改变的引力模型会导致黑洞在吞噬物质时产生的热量发生变化，但这种动态可能会严重扰乱星系的形成，但不知何故却没有发生。

虽然这些发现无疑引发了人们的猜测，即除了广义相对论之外，还有别的东西在主宰着这个世界，但李和他的团队强调，他们绝不会声称要证明 f(R) 引力是真实的，也不会推翻广义相对论。这项研究的模拟仅仅是模拟而已。一种“第五种力”可能真的存在，并影响着宇宙中事物的形成，但除非我们有观测或数据证明这种相互作用是真实的，否则我们只是在进行理论研究。模拟本身是基于我们迄今为止收集的数据建立的，“我们必须记住，星系形成是一个积极推进的研究领域，仍然存在一些不确定的事情，”李说。我们测量到的虚假信号、数据漏洞和其他不确定变量很容易产生有缺陷的模拟。而且，仅仅因为我们还没有观察到暗能量，并不意味着它就被取消了。

除非我们能够在现实世界中真正检验 f(R) 引力和其他变色龙理论，否则我们永远无法真正知道广义相对论是否应该被淘汰——而这显然说起来容易做起来难。我们知道变色龙会改变颜色，因为我们在现实生活中见过这种情况。但我们怎么才能看到引力定律的变化呢？这样的事情如何被观察到呢？这个问题没有简单的答案。

达勒姆大学的研究人员希望利用即将建成的平方公里阵列来开展这项任务，该阵列将于 2020 年开始观测。它将是世界上最大的射电望远镜，横跨两大洲，其威力足以窥视遥远的太空，观察大爆炸后不久形成的恒星和星系。再过几年，我们可能会收集到一些数据，揭示一些关于暗能量和广义相对论的信息，或者变色龙理论是否可能对宇宙产生影响。说实话，用一种蜥蜴来取代爱因斯坦的影响力听起来并不坏。