多年来，科学家一直认为暗物质和暗能量构成了宇宙的大部分。然而，一项新研究挑战了这一长期观点，提出这些神秘成分实际上可能根本不存在。研究指出，所谓暗物质和暗能量的表现，或许只是宇宙中基本作用力随着年龄增长逐渐减弱的结果。
这项由渥太华大学物理系兼职教授拉坚德拉·古普塔（Rajendra Gupta）领导的研究指出，如果大自然的核心作用力（如引力）的强度会随时间和空间缓慢变化，这能解释天文学家观测到的众多奇异现象，比如星系的旋转、演化方式，以及宇宙持续膨胀的现象。
挑战既有概念
古普塔教授解释说：“随着宇宙膨胀，宇宙中的作用力平均会变弱。这样的减弱，会让我们误以为有一种神秘的推动力在加速宇宙膨胀（即所谓的暗能量）。但在星系或星系团的尺度上，这些作用力在其引力束缚空间内的变化，会导致额外的引力（被解释为暗物质）。但实际上，这些现象可能只是源于定义自然力强度常数随宇宙演化的‘假象’。”
他说：“要解释暗物质和暗能量，需要分别解释两个尺度的现象：一是宇宙学尺度（大于6亿光年），假设宇宙各向同性且均匀；二是天体物理尺度（较小尺度），此时宇宙是高度不均匀且各向异性的。在标准模型中，这两个尺度需要不同的方程来用暗物质和暗能量解释观测。而我们的理论则用同一方程无需暗物质和暗能量即可解释。”
他补充道：“令人兴奋的是，这种新方式让我们可以用自然常数演化来解释观测到的现象，如星系旋转、星系团聚集、甚至是引力透镜效应，而不需要假设有神秘物质隐藏在宇宙中。只需要常数随宇宙老化变得‘起伏不定’。”
新模型在天体物理尺度上的应用
去年，古普塔教授在宇宙学尺度上质疑了暗物质的存在。本次在天体物理尺度的研究中，他检验了当前对星系旋转曲线的理论解释。
在新模型中，常用参数α源自“耦合常数”演变。实际上，α在引力方程中表现得像一个额外“分量”，产生了类似于暗物质和暗能量的效应。
在宇宙学尺度上，α被视为常数（例如通过超新星数据拟合确定）。但在本地（天体物理尺度），星系中常规物质（黑洞、恒星、行星、气体等）的分布非常不均，α也随之变化，导致额外引力效应也依赖于物质分布。理论预测，当常规物质聚集多时，额外引力效应反而小，物质稀疏处则更大。
因此，新模型解释星系外围恒星转速高于预期的“平坦旋转曲线”，不是因为有暗物质晕，而是α造成的额外引力所致。
对天文学的意义
古普塔教授认为，这一思路或能解开天文学中的许多困惑。“这些年来，我们一直难以解释早期宇宙的星系为何如此快速形成并变得庞大。用我们的模型，无须假定奇异粒子或违反物理规律，只需‘延长时间线’，宇宙的年龄几乎增加了一倍，自然为观测到的所有结构腾出了空间。”
实际上，星系和黑洞的形成时间被拉长，使大而复杂的天体结构早期出现在宇宙成为可能。
这一理论可能彻底改变我们对宇宙的认知观念，还暗示我们多年寻找暗物质粒子的实验可能并不必要。即便偏要寻找这些粒子，它们也需占据正常物质质量的六倍才成立。
“有时候，最简单的解释才是最正确的。也许宇宙的最大奥秘只不过是自然常数的演化带来的‘把戏’，”古普塔教授总结道。