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暗物质与暗能量（上）

2018/07/10   维加斯新闻报
刘文旺

    摘要：本文包括三部分：1、星系、星系团的非开普勒运动的发现；2、对暗物质、暗能量令人困惑的互相矛盾的实验现象的本质分析；3、星系、星系团的非开普勒运动的诠释，并从暗物质、暗能量的物质性、相互作用特征、时空的分布等角度，分析了暗物质、暗能量存在的可能性。
关键字：开普勒运动、星系、星系团、旋臂、星系晕、密度波、暗物质、暗能量、引力比、引力拖曳、Ia型超新星、标准烛光。
    一、星系、星系团的非开普勒运动
    （一）、天文观测事实
    海王星的发现，使牛顿理论获得了巨大的成功。
    随着科学的进步，使深空探索成为可能，当人们把更优质的望远镜指向宇宙深空后，却发现了对牛顿理论的偏离。对矮椭球星系的旋转速度的观测发现了星系的发光品质小于引力品质的现象，人们假设存在一种看不到的物质——暗物质。
    我们知道，按照开普第三定律可知，环绕引力中心的天体的运动速度。随离开引力中心距离的增加而逐渐减小。
满足公式：V∝1/r1/2。
例如在太阳系中水星、金星、地球、火星环绕太阳的平均速度分别是：47.89 千米/每秒35.03 千米/每秒、29.79千米/每秒、24.13 千米/每秒。但是，美国女天文学家薇拉• 鲁宾观测星系转速时，发现星系外侧的行星旋转速度较牛顿引力预期的快，故推测是有数量庞大的质能拉住星系外侧组成，以使其不致因过大的离心力而脱离星系。
 
    后来在天文观测发现在星系、星系团中，这是一个具有普遍性的现象。如下图所示，红线是星系旋臂中恒星运动速度的观测结果，虚线代表满足开普勒运动应该具有的速度数值。这样的观测结果显示，星系的品质并不完全集中在星系的核心区域。有很大一部分品质分布在星系晕中。但是在那里我们又找不到确定的发光天体的存在，于是，就产生了星系的发光品质小于引力品质的问题。并且这一现象在星系中具有普遍现象。见下图。
 
    这一现象，在随后的天文观测中，发现在星系团中也是普遍存在的。于是，人们开始寻找、思考星系、星系团中这部分丢失的品质。
我们看天文观测的结果：
    近代的天文观测发现，在旋涡星系的观测结果和理论分析均表明漩涡星系周边存在着大品质的暗物质晕。科学家们借助强功率天文望远镜（包括架设在智利的甚大天文望远镜VLT --Very Large Telescope）对距离银河系不远的矮星系进行了共达23夜的研究，此后科学家们还通过约7000余次的计算得出结论称：在他们所观测的这些矮星系中，暗物质的含量是其它普通物质的400多倍。
    其实，早在上世纪30年代，荷兰天体物理学家奥尔特就发现：为了说明恒星在星系中的运动，需要假定在太阳附近存在着暗物质；同一时期，茨维琪从室女星系团诸星系的运动的观测中，也认为在星系团中应该存在着大量的暗物质，用来维持其中星系的运动；同一时期，瑞士天文学家扎维奇发表了一个更为惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总品质的1/300以下，99%以上的不发光品质是看不见的。但这一发现没有引起人们的足够注意。
    美国天文学家巴柯的理论分析也表明，在太阳附近，存在着与发光物质几乎同等数量的看不见物质。
    到20世纪70年代，科学家们根据对许多大型天体之间，如星系内、星系团内的引力效果的观测越来越多地发现，发光的天体拥有的品质不能产生足够的引力来维持天体系统的运行。普遍存在发光品质小鱼引力品质的现象。
于是，人们假设在宇宙中存在一种不发光的物质——暗物质，他的存在使星系中的天体或星系团中的星系的运动成为可能。
    完全相反地，宇宙中还存在一种，同样看不到但能影响天体运动的奇异物质。
    我们看如下的观测事实。
    天体物理学家一般认为，天体之间的引力会使得宇宙的膨胀速度逐渐减缓。但是，1997年12月，作为“大红移超新星搜索小组”成员的哈佛大学天文学家罗伯特•基尔希纳根据对Ia型超新星———种罕见的恒星爆炸现象的观测发现，这些超新星发出的光度小于应有的数值。
    我们知道，Ia型超新星具有稳定的发光强度，因此，它也是用来测量天体距离的标准烛光。结果发现，在距离我们一定远的区域，宇宙膨胀速不但没有在自身重力下变慢，反而在加速膨胀。人们大惑不解。
    此外，美国航天局的威尔金森微波仪探测卫星收集到的材料也证明，这类超新星确实在加速远离我们。这些变化的含义的确令科学家忐忑不安，因为这将预示著爱因斯坦、霍金等理论家可能都是错误的，影响并决定整个宇宙演化的力量，不是存在于普通发光天体的引力和重力等已知作用力，而是不发光的“暗能量”和“暗物质”。这被认为是一种具有颠覆性的发现。
    现代理论认为，暗物质是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不参与电磁相互作用，是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小，但是数量庞大，因此它的总品质很大，承载了维系星系、星系团运动时所需的引力。虽然，暗物质无法直接观测得到，但它能影响星体发出的光波或引力，因此，它的存在的间接效应能被观测到。
暗能量也是一种充满整个空间的、推动宇宙膨胀的不参与电磁相互作用的能量形式。
暗能量假说是对宇宙加速膨胀的观测结果的一种解释。在宇宙标准模型中，暗能量占据宇宙68.3%的质能。但人们也并没有给出暗能量的物质基础及其与宇宙天体的作用机制。人们根据“普朗克”探测器收集的资料推断，暗能量这种导致宇宙加速膨胀的神奇力量在宇宙中占有很大的比重。
支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的“暗能量”。
在美国国家研究委员会曾发布一份题为《建立夸克与宇宙的联系:新世纪11大科学问题》的研究报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重，"暗物质"的本质问题和"暗能量"的性质问题在该报告中的11个大问题中分别位于第一、第二的位置。
    （二）、观测事实的简单分析
    那么。暗物质、暗能量的物质基础是什么呢？
    在众多可能是组成暗物质的成分中，最热门的要属一种被称为大品质弱相互作用粒子(WIMP)的新粒子。这种粒子与普通物质的作用非常微弱，以致于他们虽然存在于我们周围，却从来没有被探测到过。此外还有，中性子，这是一种超对称模型中提出的粒子。它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子；中性子，一种非常轻的中性粒子（其品质在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用；轴子（axion）；惰性中微子等
    宇宙大尺度结构是纤维状结构和宇宙长城，这中间就是宇宙空洞，而支撑空洞存在的力量就是暗物质。
 
    对于暗能量，有科学家认为，暗能量在宇宙中更像是一种背景和一种“超导体”，因此也有人把“暗能量”称之为“真空能”。真空是不是就是“暗能量”？“暗能量”是不是就是“真空能”呢？如果真空真是“暗能量”那么就应该具备一切能量的基本属性和基本特征——力的作用。
    从这里的分析可以看出，矛盾的焦点都集中在真空是否具备力的属性这个问题上，如果这种假说被证明，那么“真空力”就成为独立于万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力之后在自然界中普遍存在着的第五种自然作用力即“第五种力”。
    现有理论认为暗物质是一种拥有品质的物质，因此它具有万有引力。不过，它并不像普通物质那样参与电磁学相互作用，从而不与光发生相互作用。由于暗物质不会反射或吸收光线，因此在通常的天文观测中找不到他们的踪影。
其实，迄今为止，科学家们对暗物质的了解仍然很少，甚至都不知道它究竟是由什么粒子组成的。不过，大多数科学家都认同，这种不稳定的物质在宇宙中所有物质占很大的比例。这是天文观测的结果。
    二、对暗物质、暗能量令人困惑的互相矛盾的实验现象的本质分析
    对这些天文观测的解释体现了现代科学理论的局限性，也显示了现有科学界的无奈。
当发现宇宙的加速扩张后，有科学家又把爱因斯坦的广义相对论找了出来，说爱因斯坦相对论中的宇宙项早就预示了暗能量的存在。并认为，宇宙在不断膨胀著的观测结果完全与引入“宇宙常数”有关。其实，当年为什么要在其引力方程中引入常数项哪？
    这是因为，在爱因斯坦的头脑中，相信宇宙的稳恒态模型，宇宙中若只有引力没有斥力，宇宙就会坍塌，所以引入了宇宙项。也就是说，宇宙项就是为了平衡我们熟知的万有引力的。现在万有引力仍然存在，因此，加速膨胀则需要其他原因加以解释。而且，据说爱因斯坦得知“实际上的宇宙是在膨胀著的”这个消息后非常后悔，因此他认为：“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误！”
    实际上，爱因斯坦给出宇宙项的物质基础了吗？什么物质产生了宇宙项所描述的斥力？这是一种什么相互作用，是我们熟知的四种相互作用中的那一种？传递暗物质暗能量产生的相互作用的载体是什么？
宇宙项的引入是不是爱因斯坦的错误，这不重要。重要的是我们至今还在从爱因斯坦的理论中寻找答案。
爱因斯坦的理论和思维，强烈地误导了我们。成为科学进步的绊脚石。不管存在什么问题都会想起爱因斯坦的理论。
    在粒子物理中，存在宇称不守恒等现象。人们找不到原因，于是真空成了冤大头，认为由于真空的作用，出现了自发破缺现象。这种思维也被搬到了天体物理中。
    星系之间不是还有暗能量物质吗？正是由于这些物质的存在，才造成了宇宙中星系的加速膨胀。暗物质，与暗能量物质的分布存在空间上的重叠性。因此，这些物质在空间分布的交错性必然造成相互作用的重叠性。因此，强大的暗能量物质产生的斥力就会使暗物质产生的引力效应被取消。因此，暗物质与暗能量的重叠性会造成相互作用的抵触。这会使得一方的作用不存在。两者空间上存在交集，而作用上不存在交集这是不可能的。——暗物质与暗能量物质存在的冲突。
    这些暗物质的存在，影响了银河系中恒星的运动，为什么对太阳系中行星环绕太阳的运动没有影响那？
    （一）、暗物质、暗能量充满矛盾的观测现象及分析（上）：
科学家们根据普朗克望远镜的观测资料研究认为，宇宙中物质组成是：4.9%是普通物质，26.8%是暗物质，还有68.3%是暗能量，暗物质维系著星系、星系团的运转、暗能量却在不断地加速宇宙的膨胀。
    我们先看看对暗能量、暗物质的寻找。
    2008年11月20日，《Nature》上发表了中国天文学家、中科院紫金山天文台研究员常进，与国外同行合作的宇宙高能电子空间观测新发现《宇宙电子在3000-8000亿电子伏特能量区间发现“超”》。人们推测这是暗物质粒子湮灭的可能证据，从而“证明”了暗物质的存在。
    并将介绍论文第一作者为主的专访，刊登在同期刊物上。该项研究成果引起科学界广泛关注。此外，英国的《新科学家》（New Scientist），美国《纽约时报》（New York Times）、美国航空航天局科学中心，等国外主流媒体都对该成果进行了报导。评论普遍认为，该观测如果被证实，将是人类第一次发现暗物质粒子发生湮灭反应的证据。从而发现了暗物质的存在。
    另外，据俄罗斯一个包括俄罗斯莫斯科物理技术学院的科学家，迪米特里-戈尔布诺夫、俄罗斯核研究所试验物理部科学家，伊格尔-特卡切夫、新西伯利亚国立大学科学家，安顿-楚迪金等科学家的团队研究发现，自从宇宙诞生初期到今天，一些不稳定的暗物质粒子就已开始逐渐衰变，从组成暗物质的某种形式的粒子变成更轻的粒子。这一发现从某种角度上看，证明了宇宙中存在大量的看不见摸不著的，并通过其引力维持着星系、星系团系统运转的暗物质。
另据英国物理科学新闻网站报导，科学家1月29日在阿奇夫论文预印本网站上发表报告称，美国航空航天局的钱德拉X射线天文台的资料显示，以特定能量发出的超量X射线令图表上出现一个隆起。科学家们认为这种现象体现了暗物质的存在。
    但是，也有一些天文观测却给出了相反的结论。
    一些天文观测发现，实际的天体的品质可以维持其所在的天体群的运转。暗物质可能是一个多余的概念。
    银河系是我们太阳系所在的星系，最利于我们展开暗物质的研究。
    在大视场望远镜所拍摄的天空照片上，科学家发现了大量的暗于14星等，不到半个太阳品质的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近，从探测到的M型矮星的数目可推算出，它们大概能提供银河系应有失踪品质的另一半。所以人们有理由认为银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星质“燃烧”后的“尸体”，这些恒星演化的残骸，足以提供理论计算所需的全部不发光品质物。
    而且，银河系只是一个普通的星系，这种现象在宇宙中应具有普遍性。若是这样，则暗物质的存在应该大打折扣。
特别值得注意的是，在我们的太阳系中各行星的运动，并不需要存在这样的暗物质，太阳的发光品质能维持太阳系中行星的运动。这就排除了银河系中，在太阳所在的位置存在暗物质的可能性。当然，这也排出了暗能量存在的可能。因为假如存在暗能量物质，那么在我们的太阳系中它产生的斥力应该远大于太阳与地球之间的引力。因此，我们的太阳系中行星的运动轨道就会发生变化，除非暗物质源能量的作用相互抵消。而从数量上看，这是不可能的。
宇宙中的星系团，一般由成百上千个星系组成，其半径达数百万光年。星系团的特点之一是其中有大量炽热气体，温度在1000万到1亿摄氏度之间。欧洲航天局的XMM牛顿天文望远镜捕捉到了古老的遥远星系团发出的X射线。科学家对此进行分析后得出了这些古老星系团中炽热气体所占的比例。他们将这些资料与距地球最近的最年轻的星系团中炽热气体所占比例进行了比较，结果发现二者没有差别。
    科学家认为，只有假设宇宙中没有暗物质才能解释这一现象。
    这还不是问题的全部，科学家们发现螺旋星系NGC 4736的旋转，完全可以依靠可见物质的引力来解释，也就是说这个星系没有暗物质或者暗物质很少。
    “超稀疏”星系NGC 1052-DF2 几乎不包含暗物质。这项 3 月 28 日发表于 Nature 的研究超出了天文学家们的常规理解。耶鲁大学天文学家彼得•范多肯和他的同事们最新发现的。
 
    这个名为 NGC 1052-DF2 的星系，距离我们大约 6，500 万光年。它几乎和银河系一样大，但它是“超稀疏”的，这意味着它所包含的恒星数量只相当于我们银河系中的极小部分——只有 1%。从恒星的稀疏性来看，它并不像一个典型的螺旋星系，而是一个松散连接的、幽灵般的星尘团。如果一个星系中含有与它的大小相匹配的、较为典型的暗物质，那么暗物质的引力会加速环绕它的几个星团的运动。相反，范多肯的团队发现这些星团在 NGC 1052-DF2 周围缓慢移动，这表明星系中可能只有很少或根本没有暗物质。这表明暗物质不仅可以与常规可见物质分离，还可以与整个星系分离——这是天文学家迄今从未见过的现象。
    阿姆斯特丹大学的理论物理学家埃里克•韦尔兰德说：“如果一个确实存在的星系中几乎没有暗物质的出现，我认为这对所有有关星系形成的理论都是个问题。”他提出过一种暗物质主导引力的替代理论（译注：韦尔兰德的理论中不需要暗物质），但没有参与此次研究。“即使你相信一个修正引力理论，那你希望看到的也将与这里观察到的不一致。这对几乎所有的理论来说都是个问题。
    该文共同作者、加拿大多伦多大学天文学家亚伯拉罕说：“这种大小的星系，暗物质应该是一般物质的30倍多。我们却发现完全没有暗物质”。
这怎么解释？！
    从这里的分析我们已看出，上面关于暗物质或暗能量的发现，实际上是充满矛盾的。也就是说，到目前为止，在天文观测上还没有直接的证据证明暗物质或暗能量的存在。特别是，存在大量的事实说明，一些星系的运转完全可以不需要暗物质的存在。