暗物质真的存在吗?

2022-01-18军事583

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。

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。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。

  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。

相关文章

宇宙的中心在哪里?

目前,还不能排除宇宙是无限大的可能性,不过现在主流科学界的看法是宇宙是有限的,宇宙是有限无边的,是一切信息的集合。从物理和数学模型上,有限无边的宇宙是完全可以存在的,而且具有合理性。 宇宙的中心在哪里?宇宙就是奇点爆发诞生的产物,奇点本身就是宇宙,是奇点扩张成为了浩瀚的宇宙,而不是奇点在空间里面爆发...

吕氏春秋存在吗?

吕氏春秋还存在 吕氏春秋》共分为十二纪、八览、六论,共二十六卷,一百六十篇,二十余万字。内容驳杂,有儒、道、墨、法、兵、农、纵横、阴阳家等各家思想,所以《汉书·艺文志》等将其列入杂家。在内容上虽然杂,但在组织上并非没有系统,编著上并非没有理论,内容上也并非没有体系。正如该书《用众》篇所说:“天下无...

“氢弹之父”是于敏吗?于敏隐姓埋名时有“氢弹之父”吗?

全世界现在只有中国有氢弹,就是因为于敏构型非常稳定,维护成本太低,低到让美苏惊掉下巴。想想看,氢弹的维护成本美国都顶不住,可想而知。但,中国可以轻松保有氢弹。 你说,于敏构型不厉害吗? 再说一点:从原子弹到氢弹,理论突破到试爆成功,美国7年零3个月,英国4年零3个月,法国8年零3个月,前苏联4年零3...

低温超导和高温超导的区别?

第二类超导体最初是在低温超导体上由理论预言而后由实验证实的。第二类超导体有着与第一类超导体相当不同的物理性质,不过,形成这两类超导体的微观机制是共同的,就是声子诱导的电子配对--库柏对。高温超导,其物理特证基本上和第二类超导体相近,一般认为高温超导也是第二类超导体,但是据说其配对机制,也就是微观机制...

如何按摩呢?

持久、有力、均匀、深透。 按摩各国都有很多不同的理论,就我以前的阅读有以下几种理论。 中医,按经络理论,特别对于阴阳的思想的体现,是较为复杂,有补泻之分,这种区别有理论,并没有严格的手法定义,具体的操作要因人而异,因手法而异。 西方按摩,遵循肌肉血液回流原理,一般是倾向于放松和康复,以肌肉的走向为主...

普朗克是谁?在科学上有什么贡献?

1900年4月,开尔文男爵发表了一篇名为《19世纪在热和光的动力学理论上空的乌云》的演讲,他的开篇提到:“动力学理论肯定了热和光都是运动的方式,但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽了………” 第一朵乌云是迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾;第二朵是黑体辐射实验与理论的不一致! 两朵...

科学理论发展到今天,几乎能想到的都想到了,还能有多大突破?

人类对于科学的认识,持有两种不同的观点。其一,是一维认识观;其二,是二维认识观。 所谓一维认识观,就是认为科学仅只是对外在世界的客观反映,科学与自然界在本质上是相同的。于是,科学只是一个单纯的发现过程,理论存在着对错,实验?可以验证理论。于是,科学的理论会不断地逼近外在的客观世界,表现为人类的认识是...

中医的理论是否和燃素说一样是一种基于经验而得到的猜想性理论?

谢谢邀请,中医的理论不敢妄言,但可以肯定不是基于经验而得到的猜想性理论。 中医基础理论以《黄帝内经》为代表,真正能读懂的人少,一般能理解一部分就非常了不起。为什么这么说,是因为在学习这本书过程中,发现其中内容有对大自然气候的研究、宇宙星系与地球之间影响的研究、地理方面研究……然后把这些总结整理,找出...

收藏家在漫威宇宙中到底是怎样的存在?为什么雷神要把宝石交给他?

在漫威宇宙中,所存在的外星种族无数,但并非是所有的外星文明种族都能够最终延续下来,即便是在这些种族的文明已经发展到了一定程度上之后,他们依旧有着被“团灭”的可能。 因此,在很多这些种族“遗孤”群体上线之后,就逐渐形成了一个堪称漫威宇宙进入门槛最高,最神秘的组织—— 宇宙元老会! 显然,从名字上来看,...

宇宙这个概念也只是人类提出来的,严格来说是人类的猜想,宇宙到底是什么?

在人体细胞的认知里,人体就是宇宙,至于人体有多大、是什么样子、都包含哪些组织、是动态的还是静态的等他们也只能凭自己的感受去猜想。人本质上也就是茫茫宇宙中的一个微不足道的小细胞,宇宙什么样也只能凭自己的感受去猜想,虽然我们的感受有所谓的科学加持,但这科学在宇宙的海洋里也许就是一个类似于萤火虫样的小光点...

股票发行价是怎么定的?

这个问题如果回答的话,要看面向什么群体来回答。 如果面向学生或普及知识,或者理论探讨,可以有很多专业的说法,比如市盈率法、倍数法、市值法等,但这仅是一种所谓的参考,就是说发行者在询价时的估计参考,或者是事后统计的理论值。 如果从操作层面来看,这个问题反而比较简单。通俗地说,只要能卖出去就行。所以,这...

主义,思想,理论有什么区别?它们各自怎么定义?

(原创),题目以主义、思想、理论为考题,要求读者区分、确认名词的意思表示。实际上题目作者已经将该三个名词概念陈列完整,以思想为中心,主义和理论设在左右,表示都含有思想这个概念。归纳作一个问号的话,即是问人类在思想什么。 主义的定义是:一个人、或者一个社会组织、社会机构、团体,对客观事物的存在、发展、...