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暗物質與暗能量（上）

2018/07/10   維加斯新聞報
劉文旺

    摘要：本文包括三部分：1、星系、星系團的非開普勒運動的發現；2、對暗物質、暗能量令人困惑的互相矛盾的實驗現象的本質分析；3、星系、星系團的非開普勒運動的詮釋，並從暗物質、暗能量的物質性、相互作用特徵、時空的分佈等角度，分析了暗物質、暗能量存在的可能性。
關鍵字：開普勒運動、星系、星系團、旋臂、星系暈、密度波、暗物質、暗能量、引力比、引力拖曳、Ia型超新星、標準燭光。
    一、星系、星系團的非開普勒運動
    （一）、天文觀測事實
    海王星的發現，使牛頓理論獲得了巨大的成功。
    隨著科學的進步，使深空探索成為可能，當人們把更優質的望遠鏡指向宇宙深空後，卻發現了對牛頓理論的偏離。對矮橢球星系的旋轉速度的觀測發現了星系的發光品質小於引力品質的現象，人們假設存在一種看不到的物質——暗物質。
    我們知道，按照開普第三定律可知，環繞引力中心的天體的運動速度。隨離開引力中心距離的增加而逐漸減小。
滿足公式：V∝1/r1/2。
例如在太陽系中水星、金星、地球、火星環繞太陽的平均速度分別是：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，美國女天文學家薇拉• 魯賓觀測星系轉速時，發現星系外側的行星旋轉速度較牛頓引力預期的快，故推測是有數量龐大的質能拉住星系外側組成，以使其不致因過大的離心力而脫離星系。
 
    後來在天文觀測發現在星系、星系團中，這是一個具有普遍性的現象。如下圖所示，紅線是星系旋臂中恒星運動速度的觀測結果，虛線代表滿足開普勒運動應該具有的速度數值。這樣的觀測結果顯示，星系的品質並不完全集中在星系的核心區域。有很大一部分品質分佈在星系暈中。但是在那裡我們又找不到確定的發光天體的存在，於是，就產生了星系的發光品質小於引力品質的問題。並且這一現象在星系中具有普遍現象。見下圖。
 
    這一現象，在隨後的天文觀測中，發現在星系團中也是普遍存在的。於是，人們開始尋找、思考星系、星系團中這部分丟失的品質。
我們看天文觀測的結果：
    近代的天文觀測發現，在旋渦星系的觀測結果和理論分析均表明漩渦星系週邊存在著大品質的暗物質暈。科學家們借助強功率天文望遠鏡（包括架設在智利的甚大天文望遠鏡VLT --Very Large Telescope）對距離銀河系不遠的矮星系進行了共達23夜的研究，此後科學家們還通過約7000餘次的計算得出結論稱：在他們所觀測的這些矮星系中，暗物質的含量是其它普通物質的400多倍。
    其實，早在上世紀30年代，荷蘭天體物理學家奧爾特就發現：為了說明恒星在星系中的運動，需要假定在太陽附近存在著暗物質；同一時期，茨維琪從室女星系團諸星系的運動的觀測中，也認為在星系團中應該存在著大量的暗物質，用來維持其中星系的運動；同一時期，瑞士天文學家紮維奇發表了一個更為驚人結果：在星系團中，看得見的星系只占總品質的1/300以下，99%以上的不發光品質是看不見的。但這一發現沒有引起人們的足夠注意。
    美國天文學家巴柯的理論分析也表明，在太陽附近，存在著與發光物質幾乎同等數量的看不見物質。
    到20世紀70年代，科學家們根據對許多大型天體之間，如星系內、星系團內的引力效果的觀測越來越多地發現，發光的天體擁有的品質不能產生足夠的引力來維持天體系統的運行。普遍存在發光品質小魚引力品質的現象。
於是，人們假設在宇宙中存在一種不發光的物質——暗物質，他的存在使星系中的天體或星系團中的星系的運動成為可能。
    完全相反地，宇宙中還存在一種，同樣看不到但能影響天體運動的奇異物質。
    我們看如下的觀測事實。
    天體物理學家一般認為，天體之間的引力會使得宇宙的膨脹速度逐漸減緩。但是，1997年12月，作為“大紅移超新星搜索小組”成員的哈佛大學天文學家羅伯特•基爾希納根據對Ia型超新星———種罕見的恒星爆炸現象的觀測發現，這些超新星發出的光度小於應有的數值。
    我們知道，Ia型超新星具有穩定的發光強度，因此，它也是用來測量天體距離的標準燭光。結果發現，在距離我們一定遠的區域，宇宙膨脹速不但沒有在自身重力下變慢，反而在加速膨脹。人們大惑不解。
    此外，美國航天局的威爾金森微波儀探測衛星收集到的材料也證明，這類超新星確實在加速遠離我們。這些變化的含義的確令科學家忐忑不安，因為這將預示著愛因斯坦、霍金等理論家可能都是錯誤的，影響並決定整個宇宙演化的力量，不是存在于普通發光天體的引力和重力等已知作用力，而是不發光的“暗能量”和“暗物質”。這被認為是一種具有顛覆性的發現。
    現代理論認為，暗物質是一種比電子和光子還要小的物質，不帶電荷，不參與電磁相互作用，是宇宙的重要組成部分。暗物質的密度非常小，但是數量龐大，因此它的總品質很大，承載了維繫星系、星系團運動時所需的引力。雖然，暗物質無法直接觀測得到，但它能影響星體發出的光波或引力，因此，它的存在的間接效應能被觀測到。
暗能量也是一種充滿整個空間的、推動宇宙膨脹的不參與電磁相互作用的能量形式。
暗能量假說是對宇宙加速膨脹的觀測結果的一種解釋。在宇宙標準模型中，暗能量佔據宇宙68.3%的質能。但人們也並沒有給出暗能量的物質基礎及其與宇宙天體的作用機制。人們根據“普朗克”探測器收集的資料推斷，暗能量這種導致宇宙加速膨脹的神奇力量在宇宙中佔有很大的比重。
支持暗能量的主要證據有兩個。一是對遙遠的超新星所進行的大量觀測表明，宇宙在加速膨脹。按照愛因斯坦引力場方程，加速膨脹的現象推論出宇宙中存在著壓強為負的“暗能量”。
在美國國家研究委員會曾發佈一份題為《建立誇克與宇宙的聯繫:新世紀11大科學問題》的研究報告中認為，暗物質和暗能量應該是未來幾十年天文學研究的重中之重，"暗物質"的本質問題和"暗能量"的性質問題在該報告中的11個大問題中分別位於第一、第二的位置。
    （二）、觀測事實的簡單分析
    那麼。暗物質、暗能量的物質基礎是什麼呢？
    在眾多可能是組成暗物質的成分中，最熱門的要屬一種被稱為大品質弱相互作用粒子(WIMP)的新粒子。這種粒子與普通物質的作用非常微弱，以致於他們雖然存在于我們周圍，卻從來沒有被探測到過。此外還有，中性子，這是一種超對稱模型中提出的粒子。它要求每一個已知的費米子都要有一個伴隨的玻色子（尚未觀測到），同時每一個玻色子也要有一個伴隨的費米子；中性子，一種非常輕的中性粒子（其品質在1μeV的數量級上），它在大統一理論中起了重要的作用；軸子（axion）；惰性中微子等
    宇宙大尺度結構是纖維狀結構和宇宙長城，這中間就是宇宙空洞，而支撐空洞存在的力量就是暗物質。
 
    對於暗能量，有科學家認為，暗能量在宇宙中更像是一種背景和一種“超導體”，因此也有人把“暗能量”稱之為“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”那麼就應該具備一切能量的基本屬性和基本特徵——力的作用。
    從這裡的分析可以看出，矛盾的焦點都集中在真空是否具備力的屬性這個問題上，如果這種假說被證明，那麼“真空力”就成為獨立於萬有引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力之後在自然界中普遍存在著的第五種自然作用力即“第五種力”。
    現有理論認為暗物質是一種擁有品質的物質，因此它具有萬有引力。不過，它並不像普通物質那樣參與電磁學相互作用，從而不與光發生相互作用。由於暗物質不會反射或吸收光線，因此在通常的天文觀測中找不到他們的蹤影。
其實，迄今為止，科學家們對暗物質的瞭解仍然很少，甚至都不知道它究竟是由什麼粒子組成的。不過，大多數科學家都認同，這種不穩定的物質在宇宙中所有物質占很大的比例。這是天文觀測的結果。
    二、對暗物質、暗能量令人困惑的互相矛盾的實驗現象的本質分析
    對這些天文觀測的解釋體現了現代科學理論的局限性，也顯示了現有科學界的無奈。
當發現宇宙的加速擴張後，有科學家又把愛因斯坦的廣義相對論找了出來，說愛因斯坦相對論中的宇宙項早就預示了暗能量的存在。並認為，宇宙在不斷膨脹著的觀測結果完全與引入“宇宙常數”有關。其實，當年為什麼要在其引力方程中引入常數項哪？
    這是因為，在愛因斯坦的頭腦中，相信宇宙的穩恒態模型，宇宙中若只有引力沒有斥力，宇宙就會坍塌，所以引入了宇宙項。也就是說，宇宙項就是為了平衡我們熟知的萬有引力的。現在萬有引力仍然存在，因此，加速膨脹則需要其他原因加以解釋。而且，據說愛因斯坦得知“實際上的宇宙是在膨脹著的”這個消息後非常後悔，因此他認為：“引入宇宙常數是我這一生所犯的最大錯誤！”
    實際上，愛因斯坦給出宇宙項的物質基礎了嗎？什麼物質產生了宇宙項所描述的斥力？這是一種什麼相互作用，是我們熟知的四種相互作用中的那一種？傳遞暗物質暗能量產生的相互作用的載體是什麼？
宇宙項的引入是不是愛因斯坦的錯誤，這不重要。重要的是我們至今還在從愛因斯坦的理論中尋找答案。
愛因斯坦的理論和思維，強烈地誤導了我們。成為科學進步的絆腳石。不管存在什麼問題都會想起愛因斯坦的理論。
    在粒子物理中，存在宇稱不守恆等現象。人們找不到原因，於是真空成了冤大頭，認為由於真空的作用，出現了自發破缺現象。這種思維也被搬到了天體物理中。
    星系之間不是還有暗能量物質嗎？正是由於這些物質的存在，才造成了宇宙中星系的加速膨脹。暗物質，與暗能量物質的分佈存在空間上的重疊性。因此，這些物質在空間分佈的交錯性必然造成相互作用的重疊性。因此，強大的暗能量物質產生的斥力就會使暗物質產生的引力效應被取消。因此，暗物質與暗能量的重疊性會造成相互作用的抵觸。這會使得一方的作用不存在。兩者空間上存在交集，而作用上不存在交集這是不可能的。——暗物質與暗能量物質存在的衝突。
    這些暗物質的存在，影響了銀河系中恒星的運動，為什麼對太陽系中行星環繞太陽的運動沒有影響那？
    （一）、暗物質、暗能量充滿矛盾的觀測現象及分析（上）：
科學家們根據普朗克望遠鏡的觀測資料研究認為，宇宙中物質組成是：4.9%是普通物質，26.8%是暗物質，還有68.3%是暗能量，暗物質維繫著星系、星系團的運轉、暗能量卻在不斷地加速宇宙的膨脹。
    我們先看看對暗能量、暗物質的尋找。
    2008年11月20日，《Nature》上發表了中國天文學家、中科院紫金山天文臺研究員常進，與國外同行合作的宇宙高能電子空間觀測新發現《宇宙電子在3000-8000億電子伏特能量區間發現“超”》。人們推測這是暗物質粒子湮滅的可能證據，從而“證明”了暗物質的存在。
    並將介紹論文第一作者為主的專訪，刊登在同期刊物上。該項研究成果引起科學界廣泛關注。此外，英國的《新科學家》（New Scientist），美國《紐約時報》（New York Times）、美國航空航天局科學中心，等國外主流媒體都對該成果進行了報導。評論普遍認為，該觀測如果被證實，將是人類第一次發現暗物質粒子發生湮滅反應的證據。從而發現了暗物質的存在。
    另外，據俄羅斯一個包括俄羅斯莫斯科物理技術學院的科學家，迪米特裡-戈爾布諾夫、俄羅斯核研究所試驗物理部科學家，伊格爾-特卡切夫、新西伯利亞國立大學科學家，安頓-楚迪金等科學家的團隊研究發現，自從宇宙誕生初期到今天，一些不穩定的暗物質粒子就已開始逐漸衰變，從組成暗物質的某種形式的粒子變成更輕的粒子。這一發現從某種角度上看，證明了宇宙中存在大量的看不見摸不著的，並通過其引力維持著星系、星系團系統運轉的暗物質。
另據英國物理科學新聞網站報導，科學家1月29日在阿奇夫論文預印本網站上發表報告稱，美國航空航天局的錢德拉X射線天文臺的資料顯示，以特定能量發出的超量X射線令圖表上出現一個隆起。科學家們認為這種現象體現了暗物質的存在。
    但是，也有一些天文觀測卻給出了相反的結論。
    一些天文觀測發現，實際的天體的品質可以維持其所在的天體群的運轉。暗物質可能是一個多餘的概念。
    銀河系是我們太陽系所在的星系，最利於我們展開暗物質的研究。
    在大視場望遠鏡所拍攝的天空照片上，科學家發現了大量的暗於14星等，不到半個太陽品質的M型矮星。由於太陽位於銀河系中心平面的附近，從探測到的M型矮星的數目可推算出，它們大概能提供銀河系應有失蹤品質的另一半。所以人們有理由認為銀河系中一定存在著許許多多的這些小恒星質“燃燒”後的“屍體”，這些恒星演化的殘骸，足以提供理論計算所需的全部不發光品質物。
    而且，銀河系只是一個普通的星系，這種現象在宇宙中應具有普遍性。若是這樣，則暗物質的存在應該大打折扣。
特別值得注意的是，在我們的太陽系中各行星的運動，並不需要存在這樣的暗物質，太陽的發光品質能維持太陽系中行星的運動。這就排除了銀河系中，在太陽所在的位置存在暗物質的可能性。當然，這也排出了暗能量存在的可能。因為假如存在暗能量物質，那麼在我們的太陽系中它產生的斥力應該遠大於太陽與地球之間的引力。因此，我們的太陽系中行星的運動軌道就會發生變化，除非暗物質源能量的作用相互抵消。而從數量上看，這是不可能的。
宇宙中的星系團，一般由成百上千個星系組成，其半徑達數百萬光年。星系團的特點之一是其中有大量熾熱氣體，溫度在1000萬到1億攝氏度之間。歐洲航天局的XMM牛頓天文望遠鏡捕捉到了古老的遙遠星系團發出的X射線。科學家對此進行分析後得出了這些古老星系團中熾熱氣體所占的比例。他們將這些資料與距地球最近的最年輕的星系團中熾熱氣體所占比例進行了比較，結果發現二者沒有差別。
    科學家認為，只有假設宇宙中沒有暗物質才能解釋這一現象。
    這還不是問題的全部，科學家們發現螺旋星系NGC 4736的旋轉，完全可以依靠可見物質的引力來解釋，也就是說這個星系沒有暗物質或者暗物質很少。
    “超稀疏”星系NGC 1052-DF2 幾乎不包含暗物質。這項 3 月 28 日發表於 Nature 的研究超出了天文學家們的常規理解。耶魯大學天文學家彼得•範多肯和他的同事們最新發現的。
 
    這個名為 NGC 1052-DF2 的星系，距離我們大約 6，500 萬光年。它幾乎和銀河系一樣大，但它是“超稀疏”的，這意味著它所包含的恒星數量只相當於我們銀河系中的極小部分——只有 1%。從恒星的稀疏性來看，它並不像一個典型的螺旋星系，而是一個鬆散連接的、幽靈般的星塵團。如果一個星系中含有與它的大小相匹配的、較為典型的暗物質，那麼暗物質的引力會加速環繞它的幾個星團的運動。相反，範多肯的團隊發現這些星團在 NGC 1052-DF2 周圍緩慢移動，這表明星系中可能只有很少或根本沒有暗物質。這表明暗物質不僅可以與常規可見物質分離，還可以與整個星系分離——這是天文學家迄今從未見過的現象。
    阿姆斯特丹大學的理論物理學家埃裡克•韋爾蘭德說：“如果一個確實存在的星系中幾乎沒有暗物質的出現，我認為這對所有有關星系形成的理論都是個問題。”他提出過一種暗物質主導引力的替代理論（譯注：韋爾蘭德的理論中不需要暗物質），但沒有參與此次研究。“即使你相信一個修正引力理論，那你希望看到的也將與這裡觀察到的不一致。這對幾乎所有的理論來說都是個問題。
    該文共同作者、加拿大多倫多大學天文學家亞伯拉罕說：“這種大小的星系，暗物質應該是一般物質的30倍多。我們卻發現完全沒有暗物質”。
這怎麼解釋？！
    從這裡的分析我們已看出，上面關於暗物質或暗能量的發現，實際上是充滿矛盾的。也就是說，到目前為止，在天文觀測上還沒有直接的證據證明暗物質或暗能量的存在。特別是，存在大量的事實說明，一些星系的運轉完全可以不需要暗物質的存在。