虽然说起来很难为情，但天文物理学家是最先承认的。我们最好的理论模型只能解释宇宙5%的现象。剩下的95%基本上是由看不见的未知材料构成的，这种著名的材料被称作暗能量和暗物质。所以即使在可观测的宇宙内有十亿千亿的恒星，那其实也只是很小的一部分。
这两种神秘的黑暗物质只能从引力效应中寻找踪迹。暗物质也许是一种看不见的材料，但它对周围的物质有引力作用。暗能量是一种使宇宙加速膨胀的排斥力。这两者一直以来被当作不同的现象。但我发表在《天文与天文物理学报》的新研究表明，它们其实是同一奇怪概念的一部分——一种质量为负的均一“暗流体”。
负质量是一种假设的物质形式，有一种负引力——排斥着它们周围的物质。与我们熟知的正质量物质不同，假设你推开一块负质量物体，它不会加速远离你，而是会向你运动。
负质量在宇宙学中并不是一个新的概念了。就像正常的物质一样，负质量粒子也会随着宇宙膨胀而散开——也就是说随着时间的流逝，它们之间的斥力会越来越弱。然而，研究表明使宇宙加速膨胀的力是恒定不变的。这之间的不一致性先前让研究人员放弃了这个想法。如果暗流体真的存在，它就不该随着时间越来越稀薄。
在新的研究中，我提出一种修改爱因斯坦广义相对论的方法，使得负质量不但能够存在，而且还不断被创造出来。“物质产生”的概念早已被包含在早期大爆炸外其他的理论中了，也就是稳态模型。主要的假设是（正质量）物质随宇宙膨胀不断被创造出来。根据观察到的证据，我们现在知道这是不正确的。然而，这并不是说负质量的物质就不能被不断创造出来了。我展示了这种假设的暗流体不会扩散得过于稀薄。而它的表现和暗能量一模一样。
我还做了一个假设这种宇宙的3D电脑模型，想看看这是否能解释暗物质的物理本质。暗物质的存在是为了解释为我们的银河系比理论模型预测要转得快的原因。这表示一定有一些看不见的物质存在，阻止星系散开。
我的模型展示了来自暗流体的排斥力也能把银河系聚集在一起。正质量星系的引力从各个方向上吸引着负质量，而当负质量流体靠近的时候，它对星系有一个更强的排斥力，使星系能以更快的速度旋转，却不会散开。所以看起来似乎一个简单的负号就能解决物理中最久远的问题之一。
宇宙真的有这么奇怪吗？
有人可能会说这听起来有点太离谱了。虽说负质量的概念很奇怪，但如果你仔细想想，它也就没那么奇怪了。对刚接触这类事物的人来说，这些现象之所以看起来奇怪又陌生，是因为我们习惯于生活在正物质主导的世界里。
无论到底对不对，负质量已经在许多领域中占有一定的理论地位了。水中泡泡的质量就可以被看作是负的。最近有实验研究表明有粒子表现得就像有负质量一样。
而物理学家已经接受负能量密度的概念了。根据量子力学，空间由波动的背景能量场构成，在有些位置上可以为负——产生转瞬即逝的波和虚构粒子。这现象甚至能产生一个实验室可测量的微小作用力。
新的研究能帮助解决现代物理中的许多问题。弦理论是我们统一量子世界和爱因斯坦宇宙理论最大的希望，然而却并不符合现在可观察到的证据。但是，弦理论确实表明真空中的能量为负。这一点就证实了负质量暗流体的理论期望。
此外，发现宇宙加速膨胀的团队惊奇地探测到了负质量宇宙存在的证据，但以防万一，还是把这些饱受争议的发现解释为“非物理的”。
这个理论还可以用来解决宇宙膨胀测量的问题。Hubble-Lemaître法则可以解释较远星系移动速度更快的现象。移动速度和星系距离的关系由“Hubble常数”来表示，但测量的结果还是在不断地改变。这给宇宙学造成了一个危机。幸运的是，一个负质量宇宙从数学上应该会导致Hubble“常数”不断改变。显然，有证据表明这个奇怪又非同寻常的新理论值得我们的科学关注。
接下来改怎么办呢？
宇宙场的创造者爱因斯坦，以及其他科学家，包括史蒂芬霍金在内，都曾考虑过负质量。事实上，在1918年爱因斯坦曾写道他的广义相对论可能要把负质量也包括进去。
虽然有这些努力，负质量宇宙学还是有可能是错的。这个理论似乎能回答许多科学家们现在也不确定的问题。然而，往往是这些不同常规的想法为这些久悬未解的问题提供了答案。种种证据累加起来，我们已经不得不考虑一下这非同寻常的可能了。
世界上最大的天文望远镜，平方千米阵（SKA）将测量历史上所有宇宙中星系的分布。我打算把SKA观察的负质量宇宙和标准宇宙结果与理论预测的结果进行比较——希望能证明负质量是否存在于现实当中。
显然这个新理论带来了一系列新的问题。所以随着科学的新发现，冒险不会在这里停止。事实上，理解这个美丽，统一，也许还极性化宇宙真面目的任务才刚刚开始。
作者
Jamie Farnes
牛津大学，牛津e研究中心的研究员兼天文物理学家。
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（翻译：费哲妮）
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