暗物质或为人类错觉?牛顿定律否定暗物质

2019-02-13 | 见丰网
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宇宙大部分由暗物质组成,这是目前科学家们的共识。暗物质是威力非常强大的能源,现今,大部分的国家都开始了寻找暗物质的计划。但是有科学家认为,暗物质或只是人们的错觉,它并不存在。

根据当今宇宙学的观点,宇宙中的大部分物质是暗物质。但这种物质与我们日常体验到的物质十分不同。太阳是太阳系内质量最大的物体,它是由普通物质构成的(质子、中子和电子)。行星、气体、尘埃、等离子体和恒星残骸也都是普通物质。但暗物质并不是这些东西,构成暗物质的粒子甚至都不包含在所谓的标准模型内。

要解释我们在宇宙中观察到的引力现象,暗物质其实并不是唯一方案。还有人试图通过修改引力理论来达到相同的目的。最著名的莫若“牛顿引力动力学修正(MOdified Newtonian Dynamics,MOND)”及其衍生观点了,它们是最为流行的暗物质替代方案。要理解这些观点,我们必须先回到1800年代,回到“质量丢失”之谜出现之前。那时存在着另一个谜团——天王星和水星之谜。

1600年代以后,牛顿的引力定律在解释世间万物方面取得了空前成功。无论是抛掷物的轨迹还是物体的滚动;无论是物体的重量还是摆钟的走动;无论是船的浮力还是月球的轨道——牛顿的引力学说无往而不胜。开普勒的三大定律,是牛顿引力方程的一种特例。把它应用到所有已知行星身上都同样有效:'

1.行星都沿各自椭圆轨道环绕太阳,而太阳处在椭圆的一个焦点中;

2.相等时间内,太阳和运动行星连线扫过的面积相等;

3.行星公转周期的平方和它们椭圆轨道半长轴的立方成正比。

所有已知行星都严格地遵守着这些定律,几百年来毫无偏差。但1781年发现的天王星成了一个例外。这个新发现的行星在椭圆形轨道上围绕太阳运行时,其运行的速度与引力定律的预测相比似乎出错了。天王星在其被发现后的首个20年内跑得过快。虽然在随后的20至25年内,速度与预测相符,但接下去天王星就又越跑越慢,根本达不到预测的数值。是引力定律错了吗?可能。但更简单的解释是有我们没有发现的物质——某种“暗”物质——在影响着天王星,使其轨道发生偏移。结果证明的确如此。Urbain Le Verrier和John Couch Adams两位学者对这颗新行星作出了各自的预测,他们之间还爆发了论战。然后,Johann Galle和他的助手Heinrich d’Arrest,于1846年9月23日证实了Le Verrier的预测。海王星被发现了。它是首个通过引力影响推算出来的天体。而在另一边,是太阳系最内侧的行星——水星。积累了几个世纪的数据提升了天文学家的观测精度,人们从中发现,这个行星的轨道不但也违反了引力定律,而且更为奇怪。根据开普勒定律,行星的轨道都是完美的椭圆,太阳则位于其中一个焦点。但由于其它天体的干扰和影响,这个椭圆实际上并不完美,而是会发生进动。

人们根据牛顿的引力定律,把所有已知行星(包括海王星),以及地球的分点岁差影响加起来。结果发现,理论的预测与实际观测结果存在着差异——大约是每100年相差43″。差异虽然细微,但绝非偶然。这次又当如何解释?是水星轨道内部存在看不到的质量?还是引力定律的固有缺陷?人们用尽各种方法,在无比靠近太阳的地方寻找新行星——火神星。但一无所获,火神星并不存在。解决方案直到1915年才姗姗来迟。那一年,爱因斯坦发表了他的《广义相对论》。

时间快进到1970年代,科学的观测方法在Vera Rubin的引领下有了飞跃。我们已经可以通过观测单个星系——尤其是侧对着我们的星系——来测量它们的自转速度。持续旋转的星系一侧面对我们而来,会产生蓝移;另一侧背对我们而去,会产生红移。我们原本希望能够发现和太阳系类似的情况——越靠内,恒星的运动速度越快。但结果再次出人意料。无论离开中心有多远,星系各部分的自转速度都是一个常数。什么原因?同样有两种可能——要么引力定律需要完善,要么我们必须假设存在一种看不见的质量。

“牛顿引力动力学修正”是Moti Milgrom于1981年提出的,他发现只要把牛顿引力定律中的加速度作极小的改变——比如1纳米每平方秒的改变——星系自转曲线就可以得到解释,而且对所有星系都有效。单从这一点来说,它的确管用,而且相当管用。暗物质,则是从另一种可能性入手,假设在标准模型普通粒子之外,在一切由“质子、中子和电子”构成的普通物质之外,还存在着一种新型的物质。为了解释星系的自转现象,我们必须假设星系沉浸在一个巨大的,由一种不会和光发生作用,不会和电磁力发生作用,既无法自己聚集在一起,又无法和普通物质聚集在一起,只会和引力发生作用的物质构成的晕。这就是暗物质观点。

暗物质也能够解释星系的自转曲线,但表现得没有前者那么好。用最简单的暗物质模型进行的暗物质晕数字化模拟结果和实际观测结果并不完全吻合;理论模型中晕的中心过于致密,而外围过于蓬松。(专业上称为等温超出预期。)如果我们只考虑星系的自转曲线,那“牛顿引力动力学修正”显然走在了前面。

但宇宙很大,也是一个整体。假如我们想要像广义相对论取代牛顿定律那样,提出一个新的理论,就必须遵守三条基本规则:

1.它必须能够继承原有理论的所有成就;

2.它必须能够对新现象或新事件进行解释;

3.它必须能够作出新的预测,且这样的预测能够通过实验或观测加以验证、确认或排除。这是新理论独特性的关键。而原有理论的成就体现在很多方面。

然而,使光线发生弯曲,能够产生强弱两种引力透镜现象;引力中存在着“夏皮罗”时间延迟效应;引力会使时间发生膨胀并导致红移;宇宙大爆炸理论框架和膨胀宇宙概念与引力有关;在宇宙的最大尺度上,对星系团内的星系和星系团本身运动的解释涉及到引力……在所有这一切面前,“牛顿引力动力学修正”都遭到了惊人的失败,要么提供不了预测,要么预测结果与数据严重相悖。也许只有不把它当成一种完整的理论,而只是一种对现象的解释,“牛顿引力动力学修正”才有存在下去的理由。有许多人致力于开拓“牛顿引力动力学修正”,以使它能够解释人们在现实宇宙中的观测结果,但到目前为止无一成功。包括Bekenstein的“张量-矢量-标量引力(TeVeS)”、John Moffatt的“引力修正(MoG)”等。

假如我们保留爱因斯坦的引力定律,而只是加入一个新的要素,加入这种不会发生碰撞的“冷”暗物质,一切都可以得到解释,包括某些惊人而新奇的差异。我们可以解释宇宙大尺度结构中的集群方式,包括巨大的“曲线”形态,以及曲线中的“涟漪”。只要我们假设宇宙中存在五倍于普通物质的暗物质即可。最值得关注的,是我们可以由此获得一个新的预测:两个星系团发生碰撞时,星系团内气体的温度会升高,速度会慢下来,并释放出X射线(粉红色),而我们通过引力透镜测得的质量(蓝色)会因为暗物质的存在而与产生X射线的区域发生分离。这个预测已经在过去十年的观测结果中得到了证实,成为一种能够证明暗物质存在的、最令人惊叹的间接证据。

“牛顿引力动力学修正”在某些方面的确胜过暗物质假说,它能够比暗物质更加成功地解释星系自转曲线,到今天为止依然如此。但它仍然不能成为一个物理学理论,它也无法与我们的全部观测结果保持一致。暗物质理论之所以如此著名,是因为它能够通过最少的修改,对整个宇宙中所有相关现象作出一致性解释。“牛顿引力动力学修正”可能是一个线索,也许能够启发出一个更为完整的引力理论,的确也有不少人希望有一天能够由暗物质派生出“牛顿引力动力学修正”现象学,真是非常有野心的计划!

但在当前,“牛顿引力动力学修正”是失败的。它有它的追随者,也有值得去研究的地方,但它还没有资格替代暗物质理论。除非它有一天能够重现《广义相对论》的所有成就,解释所有已知现象和新现象,并作出可供检验的新预测。

暗物质到底是什么?我们观测到的是否真的是暗物质呢?科学家提出的暗物质理论是用来解释一切宇宙中不合理的现象,但是如果,那些不合理的现象能够通过另一种理论得到证实。那么暗物质是否就不存在了呢?我们无法得知。

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【责任编辑:阿诺】
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