暗物质和修正引力理论 谁是解释宇宙本质的真理

2016-11-04 13:45:40 来源: 网易科学人 举报
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本期作者:晗冰 责编:王真

暗物质理论是当前的主流理论,但在暗物质没有完全得到证实的情况下,一些科学家又提出了修正引力理论来解释宇宙现象。

万有引力定律是迄今为止最成熟的物理学定律。但是宇宙中的行星、恒星、星系甚至于更广意义上的现象似乎并不符合万有引力定律的描述,以至于你会反复对你所看到现象进行反复检查。当然,我们的物理学定律对宇宙的理解总是不完整的,需要我们对其反复进行修正。目前,在如何解释宇宙引力问题上学术界有两种不同的观点:一个阵营所持暗物质的观点解释宇宙引力问题,而另一阵营则坚持对现有的引力定律进行修正。

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暗物质似乎可以决定宇宙结构组成

1781年,天王星被发现,这是在土星轨道之外发现第一颗太阳系大行星。而且这是人类首次用望远镜而不是肉眼发现的第一颗行星当时,牛顿的万有引力定律能够对行星的环日轨道进行计算。因此天王星的发现给人类提供了一个验证牛顿万有引力的机会。这对于科学家来说是一个意想不到的惊喜。但经过六十多年的观察,科学家们发现:

在最初的20年里,根据牛顿的万有引力定律,天王星似乎移动的过快;

在接下来的20年,天王星的运动似乎又符合牛顿万有引力定律;

随后,天王星的移动速度又慢下来,又开始与牛顿的万有引力定律不相符。

天王星到底发生了什么?是牛顿错了吗?还是有一些额外的未经发现的物质,其引力可以解释天王星运动的偏差?

理论学家们在这两方面都做了大量工作,但当时“不可见的物质”的理论占据了上风。1846年,法国天文学家勒威耶(Urbain Le Verrier) 推测是因为存在一颗未知行星的引力作用,使天王星的轨道运动受到干扰,也就是天文学上所谓的“摄动”影响。他计算出这颗行星的轨道、位置、大小,然后请柏林天文台的伽勒寻找这颗未知的行星。1846年9月23 日,伽勒根据勒维耶预言,只花了一个小时,就在离勒维耶预言的位置不到1 度的地方,发现了一颗新的行星。后来这个新的行星被命名为海王星。“不可见的物质”这一理论也得到了验证。

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太阳系中的所有行星都遵循引力定律

大约在同一个时间段,一个新问题被注意到,那就是太阳系最内侧水星的近日点进动问题。太阳系中的每一个行星都有一个近日点或者说是最接近太阳的方位。由于太阳系中行星受太阳、其他行星以及小行星引力的影响,各个行星的近日点进动都各有不同。根据牛顿万有引力进行计算,水星的近日点进动为每世纪5557角秒但,实际观测值为每世纪5600角秒,二者之间依旧有着一个微小却不可忽视的差异。

同样,理论学家争论是否需要一个新的行星来解释这一偏差。在这种情况下,一个在水星内部的行星,代号为Vulcan的行星“出现”了。另一种理论解释是牛顿万有引力定律需要进行修改。虽然在整个十九世纪后半叶,人们都在致力于通过验算和观测寻找所谓的Vulcan,但是一无所获。而在另一方面,随着物理学的研究领域拓展到接近光速时,牛顿经典力学已经无法对现实做出合理解释,迈克尔逊-莫雷(Michelson-Morley)实验和狭义相对论的发展也表明牛顿万有引力定律需要进行改进。1915年末,爱因斯坦提出了广义相对论,成功地解释了水星近日点进动问题,其所计算的进动值在扣除了其他行星的影响后应是每100年向东移过42.91″,与观测值——43″十分吻合。

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假想行星Vulcan

迄今为止,诸如引力时间延迟、引力透镜效应、脉冲星轨道衰变再到引力波等诸多现象都可以从爱因斯坦的广义相对论找到解释。但是关于星系的自转问题同样有着诸多问题。目前科学家可以通过观测单个星系来测量它们的自转速度。持续旋转的星系一侧面向我们而来,会产生蓝移;另一侧背对我们而去,会产生红移。人们原本以为星系的自转和太阳系的情况类似——越靠内,恒星的运动速度越快。但事实上根据观测,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。这同样存在两种可能——要么牛顿的万有引力定律需要修正,要么我们必须假设存在一种看不见的物质。

那么这次的解决方案是什么?是该修正现有的引力定律吗?这样一来,我们需要对引力定律做出相应的修正,从而就可以解释所有星系的自转曲线。其中也包括那些很小的星系,其引力和质量的差异很大。

上个月,天体物理学家提出了一种新的修正引力理论,使得星系不再需要额外的不可见物质,便可在普通物质框架下维持单一星系的引力稳定。但是,一旦人们在宇宙的更大尺度上考虑这个问题,就会发现这种修正的引力理论也有着巨大的漏洞。

和星球之间的碰撞一样,星系之间的碰撞在星系演变过程中也是司空见惯的现象。当不同的星系团发生碰撞时,根据修改的引力理论,碰撞前的预测与碰撞后的预测完全不同。这种修改引力理论完全不能解释星系碰撞问题。当人们试图用修正引力理论解释星系团中个别星系的运动时,解释使光线发生弯曲的引力透镜现象时,解释宇宙大爆炸的背景辐射以及与引力有关的膨胀宇宙概念时,都失败了。

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1919年,爱因斯坦广义相对论解释了光在强大引力作用下产生的弯曲现象

科学家的另一种选择是坚持暗物质理论,而不再修改牛顿或爱因斯坦的定律。你可以保持这些理论不变,需要的仅仅是向宇宙中添加一些看不见的物质,它们会产生相互作用的引力。通过额外增加的这些引力源,人们就可以有效解释绝大多数单个星系如何旋转、运动。

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关于153个星系重力加速度(y轴)与可见质量物质(x轴)的相关性。蓝色显示每个单独星系,而红色则代表分体统计数据。

暗物质理论能够宇宙的更大尺度上解释观测到的宏观现象。一方面是因为在更大尺度上,宇宙更为均匀,波动也更为粗糙,引力是其中最主要的效应。暗物质理论可以在最大尺度上再现宇宙的微波背景辐射,包括星系团碰撞、引力透镜以及星系团的运动等宏观现象都可以用暗物质来解释。

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可见恒星、中性气体以及球状星团都指向了修正引力理论或是暗物质的存在。其理论位置与观测位置都不符合。

但是,其也存在着一些问题。在暗物质理论模拟中,一个星系需要包含数万亿的暗物质粒子,其中还需要考虑光子压力、恒星形成、超新星以及其他效应。这样推论,每个个体星系需要包含1060次方甚至1080次方暗物质粒子。要知道一万亿只有1012次方。暗物质理论对于那些大星系比较有效,这些星系至少要是银河质量的10%甚至更大。但在另一方面,在根据暗物质所进行的模拟中,那些质量更小的星系往往需要包含更多的暗物质才能够达到引力的平衡。因为这些小星系的恒星数量没有旋涡星系那么多,大多不会超过十亿,甚至只有几百万。这些星系内的恒星运动速度比大型星系内的恒星要慢。但是要使这样的结构保持稳定,所需的暗物质比例却比别处要高出许多。在某些情况下,这种比例甚至会高达201,而在极端情况下(更低的质量),这一比例甚至可以上升到几百比1

宇宙中已知最小的星系是我们银河系的卫星系,它们所含的恒星只有几百,这些恒星围绕着联合质心运行,运行速度只有15千米/秒。通过计算机模拟,要使恒星在此空间区域保持该速度公转,所需的暗物质总量是太阳质量的成千上万倍。也就是说,在此极端个例中,暗物质总量要比普通物质高出一千倍左右,这总让人觉得有些不合常理。

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质量与加速度相关性已经被验证的星系,注意只有那些比虚线更大的星系才能够被暗物质理论充分模拟

暗物质阵营中的大多数人坚信,迄今为止其理论能够对整个宇宙中所有相关现象作出一致性解释。同样,而坚持修正引力理论的人们则认为在小尺度星系上暗物质比例的不合理就是暗物质理论的失败,而他们所发现的修正引力则可以带来比爱斯坦广义相对论更为深远的理论变革。目前来看,修正引力理论的最大挑战是在大尺度上解释宇宙宏观现象,而暗物质理论的挑战则是如何正确再现小尺度星系的细节问题。

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各种碰撞星系团的X射线(红色)以及总体物质(蓝色)光谱图,显示了正常物质和暗物质之间的明显区别

对于暗物质阵营的人们来说,其坚信修正引力理论也仅仅是广义相对论,最终还是暗物质提供了引力源。而秉持修正引力理论的人则认为暗物质是完全不存在的。但关键在于,如果现在你想解释我们所观测到的宇宙现象,就必须要有暗物质的存在。目前还没有一种已知的修正引力可以在宇宙大尺度上解释一系列宏观现象,而诸如宇宙微波背景辐射等现象也需要暗物质理论进行支撑。如果没有暗物质,则必须有一种完善的修正引力理论来解释所有的宇宙现象。

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宇宙微波背景辐射,也是大爆炸残留的辉光

两大阵营将继续相互争论,直至有一天暗物质被直接检测到,或是人们能够完全验证所谓的修正引力理论是暗物质影响的结果。虽然暗物质还不能完全断定是真实的,但在目前情况下,却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。当然,我们需要清楚的是,一个完全有说服力的理论还没有完全出现,一切还尚未结束。

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