【暗物质存在吗】暗物质真的存在吗?

2019-11-25 - 暗物质

暗物质的存在一经证实,意味着人类首次发现了暗物质存在的形式,将是物理学的重大突破。

暗物质被称为"世纪之谜"。它"霸占"了宇宙95%的地盘,却摸不到看不着,甚至让爱因斯坦都迷糊了,否认了它的存在。令人兴奋的是,经过10年观测,紫金山天文台专家捕捉到了很可能是暗物质留下的"足迹"--高能电子,这可能是暗物质存在的一个有力证据。

【暗物质存在吗】暗物质真的存在吗?
【暗物质存在吗】暗物质真的存在吗?

扑朔迷离的暗物质

地球距离太阳1.5亿千米,以每秒29.78千米的速度公转,围绕太阳转一圈是1年;而距离太阳14亿千米的土星绕太阳一周则是30年,公转速度只有每秒6.81千米;海王星和冥王星转一圈竟是100多年,绕太阳旋转更慢。

【暗物质存在吗】暗物质真的存在吗?
【暗物质存在吗】暗物质真的存在吗?

可见星球距离星系中心越近,所受引力越大,转动速度越快。人造地球卫星围绕地球转动也是这样。这是太阳系里的情况。那么亿万颗恒星组成的庞大的星系也应该是这样吧?科学家的确是这么认为的,因为星系中所有的恒星都在围绕着星系的中心旋转,越靠星系边缘的恒星受到的引力也是越小,肯定是靠近中心的恒星旋转速度最快,越靠外缘,旋转越慢。

【暗物质存在吗】暗物质真的存在吗?
【暗物质存在吗】暗物质真的存在吗?

可是观测结果却和人们的想法截然相反!星系最边缘的恒星并没有落后,而是比预料中的速度要快得多,若根据牛顿引力定律,这样的速度会让边缘的恒星从星系中飞出去,可这样的情况并没有发生,好像有一种我们看不见的无形的物质把这些恒星抓在一起,防止它们各自飞散。

另外,爱因斯坦告诉我们,光线在经过大质量天体附近时会弯曲,由于这一点,在地球上的我们看过去,很可能一颗星星就变成了许多星星,星星会出现许多虚像,星星的亮度也会增大许多,这就是广义相对论所预言的引力透镜效应,就像引力场具有凸透镜的聚焦作用,可以把一颗星发出的光收拢和聚集。

现实确实如爱因斯坦所言,只是所观察到的引力透镜效应有时却出奇地强大,好像光线经过了质量非常大的天体周围,被弯曲得很厉害。可实际上天文观测却没有发现那个质量巨大的天体。

以上种种现象引发了科学家们的苦苦思索,为了解释这些现象,科学家推测星系中的恒星是埋没在我们看不见的冷暗物质中,就像太阳被球形光晕包围着一样,只是这种暗物质晕我们还无法探测。也许是暗物质提供了额外的引力,保证了边缘恒星的快速旋转,引发了光线产生较大的弯曲。

自此以后,人们开始忙于研究和寻找暗物质,但是自1933年暗物质被提出以来,经过了这么多年的研究,暗物质还是那么不可捉摸。人们通过各种类型的望远镜虽然观测到了许多原本没有发现的物质,但这些物质的质量显然太小,并不是科学家们所描述的弥漫于宇宙空间、支配星系运转的暗物质。

而且暗物质的假设有很多漏洞,首先,暗物质到底是由什么粒子组成的,科学家想像不出来,这种物质没有体积,没有压强,难以捉摸。粒子物理学推延到各种极端情况下,会描述出极端条件下的许多奇异粒子,但在这些奇异粒子中也无法找到能够组成暗物质的什么粒子,可以说探测暗物质粒子的所有实验都没有成功过。

对于暗物质还没有任何实际的对应粒子,它只是用来解释宇宙中的一些现象时引入的概念。

暗物质到底存不存在?如果寻找和研究的都是不存在的物质,岂不是很徒劳?如果不引入暗物质,能否通过别的途径解释所观测到的宇宙中的现象吗?一些科学家于是把目光聚焦在引力理论的调整上:也许我们对引力的理解有误,牛顿引力理论和爱因斯坦的广义相对论需要一个更适用的引力理论来替代。

牛顿第二定律有局限

牛顿第二运动定律认为,质量一定的物体所产生的加速度与所受的力成正比,这个定律得到了普遍验证,每个上过中学的人都很熟悉。但如果加速度极小,例如1.0×10-15米/秒2,若粒子从零以这种加速度加速,耗尽整个宇宙的历史那么长的时间,都只能达到几百米/秒的速度,在这么小的加速度下,牛顿定律还会适用吗?没有人去验证。

可这种情况正是星系那么大尺度的范围内出现的情况,由于恒星之间的距离是那样的遥远,相互之间的吸引力极其小,而恒星的质量又较大,于是引力对恒星产生的加速度就非常小。

以色列韦兹曼研究院的科学家米格罗怀疑:在星系边缘恒星的加速度如此小时,牛顿第二运动定律已不再适用。他引入了一个常数a0=1.2×10-10米/秒2,对牛顿引力定律作了修正,这个常数的意义是:一个光子若以这个加速度加速,经过整个宇宙的历史时间可以从零加速到光速。

修正的牛顿引力定律如下:当引力提供的加速度a远远大于常数a0时,牛顿定律仍然适用,而当加速度远远小于这个常数时,产生同样的加速度所需要的引力就将是原来的a/a0倍,意思是产生那么小的加速度所需要的引力比预计的要小得多。

因此,虽然星系边缘的恒星所受的星系中心的引力非常小,但同样可以产生足够的加速度,驱动恒星以较高的速度公转,根本不需要任何暗物质来帮忙,把恒星束缚在星系中。

用米格罗的这个理论推算出的恒星的旋转数据与实际观测的结果很是吻合,也与引人暗物质后的计算结果很吻合,这说明米格罗的理论能够完美地解释星系的运转,可以替代神秘莫测的暗物质理论。

不过,任何有价值的理论不仅仅要能够解释一种现象,还要能够解释相关的更多现象。广义相对论所解释的光线在引力场会弯曲和引力透镜效应,米格罗的理论是无论如何也无法解释的,因为这个理论只是对牛顿引力理论的修正。而且,米格罗的理论还违反了物理学基础定律——动量守恒定律,除非动量守恒定律也需要修改。

暗物质可以不存在

米格罗本人也觉得他的理论不够完善,于是和其他一些科学家一起致力于研究更完善的引力理论。2004年,巴勒斯坦的科学家拜肯斯塔推出了一个适用范围更广的引力理论,引起了许多天文学家、天体物学家和宇宙学家的关注,让科学家开始认真地考虑是否要抛弃暗物质这个慨念。

拜肯斯塔在复杂的理论公式中引入了两个量:表示不同地点引力大小的量和决定光线如何被引力场影响的量。这样,他的理论就成功延伸到了三个世界,几乎适用于所有领域。

在高速和引力加速度较大的世界里,拜肯斯塔的引力理论就会描述出光线弯曲,并出现引力透镜效应,不光是光子,高速运行的粒子也会出现这种情况,也就是说广义相对论是拜肯斯塔理论在高速世界里的特例。在低速或引力加速度较小的情况下(例如在地球),拜肯斯塔引力公式又演变成了牛顿引力理论的形式,可见牛顿引力公式又是拜肯斯塔理论在低速和引力加速度较低时的特例。

而米格罗引力理论则是在引力加速度更小的情况下的特例,适用于描述星系大范围的运转模式。

这意味着拜肯斯塔引力理论是上述三个理论的推广,上述引力理论是拜肯斯塔引力理论在不同条件下的表现形式。由于具有充分的相对性,拜肯斯塔理论还能够预测大范围宇宙的运转情况。

这个理论并没有引入暗物质;而且通过理论计算,这个理论还可以正确描述宇宙微波背景辐射的温度起伏。至此,拜肯斯塔引力理论已经可以作为一种新的引力理论替代传统的引力理论,它好像能够预测宇宙的方方面面,应用范围更广。

只要宇宙中各种物质的运转规律确实如拜肯斯塔引力理论所描述的那样,宇宙中就不必存在暗物质!

暗能量也不存在?

拜肯斯塔引力理论虽然帮助我们去掉了恼人的暗物质,可是“暗能量”却还在困扰着我们。

1997年,天文学家观测到了我们的宇宙正在加速膨胀,好像一种神秘的力量正在把宇宙撑开,由于科学家不知道这神秘的力量到底是什么,只好叫它“暗能量”。可是比暗物质还糟糕的是,科学家对于暗能量更是一无所知,无从研究。暗能量是否也像前面所说的暗物质那样,用另一个理论把这个概念剔掉呢?

一种叫“共形引力”的理论解决了宇宙的膨胀问题。这个理论并不是对广义相对论的改良,而是用一种崭新的、完全代替了传统的理论。“共形引力”理论的数学形式很是复杂,这个理论有一个令人满意的结论:在局部的范围内,引力还是引力(吸引力),而在宇宙尺度范围内,引力就变成了斥力。

这样,这个理论就能够解释宇宙加速膨胀问题和星系自转的问题,不需要引入暗物质,也不需要引入暗能量。不过共形引力理论的宇宙学预测还需要进一步验证。

当然,我们应该明白,经典的牛顿、爱因斯坦引力理论在我们生活的世界里(从毫米尺度到冥王星的轨道范围内)工作得特别好,因此人们在取消这些理论前还是要一再斟酌,倍加谨慎。如果,暗物质在将来真的被科学家揪了出来,一些新奇的引力理论也就只是水中月。

但如果经典的引力理论面对宇宙中的—些神秘现象,越来越难以自圆其说的时候。突破传统理论,寻找更普遍适用的理论就成为物理学家的追求。也许抛弃暗物质和暗能量的概念并没有错。

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