也許萬有引力並不是使星體、星系相對穩定存在的原因(圖片:NASA)
也許萬有引力並不是使星體、星系相對穩定存在的原因(圖片:NASA)

暗物質真的存在嗎?也許該換一個角度審視一下“萬有引力”學說是否正確了

文思敏
2019-03-19 15:50
“暗物質”常被用來解釋科學上觀測到的宇宙中的一些現象,可是,實際上暗物質一直沒有被發現或證實其存在,連當初因為觀測到的現象不符合引力學說的某一理論預測,而引發暗物質概念被廣泛接受,自己也因此成名的維拉·魯賓,在其晚年都提到,“可能解決問題的辦法是改變我們對引力的理解。”

2011年1月,擁有美國愛荷華大學創意寫作文學碩士學位的理查德·帕內克(Richard Panek)的書——《4%的宇宙》(The 4 Percent Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality)出版了。帕內克因此書獲得了2012年美國物理學會(American Institute of Physics)傳播獎。

《4%的宇宙:暗物質、暗能量及為發現其餘事實的競賽》封面
《4%的宇宙》封面(圖片:amazon

該書闡述了20世紀天文學的發展,包括埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)於1930年代提出的宇宙膨脹理論的形成,該理論和愛因斯坦的廣義相對論結合產生了大爆炸理論模型,以及後來1960年代宇宙背景輻射的發現。帕內克在書中也討論了這些理論的缺陷和缺失部分,以及兩個主要的科學小組經過探索,發現宇宙膨脹的原因與預期的模型並不相符。書中還討論了理論假設的由大質量弱相互作用粒子構成的暗物質,以及科學家怎樣從1990年代以來就一直在試圖確定暗能量的存在。

這本非小說類文學作品的出版,把一些科學上的術語引入了大眾的視野,如暗物質,暗能量等等。

“暗物質”概念的提出

早在1884年,北愛爾蘭出生的英國數學物理學家和工程師開爾文勛爵(Lord Kelvin),因為觀測到圍繞銀河星系中心運轉的恆星速度的分散性,估計銀河系的質量與可見星體的質量不同,並推斷有大部分的星體是暗星體,是不可見的。1906年法國數學家、理論物理學家亨利·龐加萊(Henri Poincaré)在討論開爾文的工作時,使用了“暗物質”這個詞。

1922年,荷蘭天文學家雅各布斯·卡普坦(Jacobus Kapteyn)首次提出暗物質的存在。隨後在1930年代又有幾位天文學家提到有暗物質的存在。

1960年代,美國天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)和經常合作的肯特·福特(W. Kent Ford, Jr. )一起,開始研究我們鄰近的仙女座星系(Andromeda Galaxy)的氣體和塵埃,目的是檢測福特設計的可以提供前所未有的精確度的一種新儀器。

仙女座 星系(Andromeda galaxy)
仙女座星系(Andromeda galaxy)(圖片:NASA)

但是他們的發現讓他們感到很吃驚:在星系外緣旋轉的氣體和塵埃的速度與靠近星系中心旋轉的氣體和塵埃的速度一樣快。如果星系真的以這樣的速度旋轉,它應該向各個方向分崩離析,但顯然它是穩定的。1970年他們發表了他們的觀測結果。但是一次異常檢測並不能構成一個引人注目的論證。

螺旋星系中螺旋臂圍繞星系中心旋轉,從中心到邊緣,螺旋星系的發光質量密度降低。 如果發光質量就是所有的物質,那麼我們可以將星系模擬為中心點質量,並測試圍繞它旋轉的質量。

根據開普勒第二定律,預計星系中的物質旋轉速度將隨着與星系中心的距離加大而減小,類似於太陽系。 可是魯賓他們沒有觀測到這種情況。相反,他們觀測到,隨着離中心的距離增加,星系中的物質旋轉速度曲線保持水平。

一般星系中物質的旋轉速度和其與星系中心距離的關係曲線。暗物質
一般星系中物質的旋轉速度和其與星系中心距離的關係曲線。A為理論預測曲線,B為實際觀測曲線。只有假設有暗物質存在,才可以解釋這種現象。(圖片:維基/PhilHibbs

在1970年代,他們和其他天文學家又在一個個星系中發現了類似的速度模式。無線電天文學家也在利用新的射電望遠鏡來繪製附近星系中波長21厘米的中性氫原子(HI)譜線。中性氫原子的徑向分布通常延伸到比光學研究可獲得的更大的星系半徑,因而將旋轉速度曲線的採樣 ,也就是總質量分布,擴展到了新的動力學狀態,但是得到的結果也和魯賓他們的結果相似。

終於,宇宙學家們達成一個共識——星系是嵌在一個更大、更穩定的物質光暈中,我們無法在任何電磁波譜範圍內檢測到這種光暈,那就是“黑暗”的物質。

魯賓他們在1980年發表了有影響力的論文,發現大多數星系必須包含大約六倍于可見質量的暗質量,才能解釋他們的觀測結果。

20世紀80年代的一系列觀測數據,包括星系團對背景物體的引力透鏡,星系和星團中熱氣體的溫度分布,以及宇宙微波背景中的各向異性模式,也都需要假設暗物質的存在來支持觀測結果。

雖然科學界普遍接受暗物質存在這個概念,但仍然有一些天體物理學家對某些不符合暗物質理論的觀察結果感興趣,主張對廣義相對論的標準定律進行各種修改,提出了一些新的理論假設,如牛頓動力學修正理論(MOND),張量—矢量—標量引力(TeVeS)等。這些理論試圖在不假設有暗物質存在的情況下解釋所有觀察結果。

維拉·魯賓沒有發現暗物質,她甚至不相信它存在

天文學家維拉·魯賓於2016年12月25日,在她88歲高齡時去世。媒體報道的標題都宣稱她“發現”了暗物質,或者“證實”了暗物質的存在,即便是她退休前在那裡工作了半個世紀的卡內基研究所(Carnegie Institution),在宣布她去世的新聞稿中也說,她確認了暗物質的存在。

維拉·魯賓(Vera Rubin)
左二身着紅衣者為天文學家維拉·魯賓(圖片:NASA)

然而,理查德·帕內克在她去世幾天後,在“科學美國人”上發表的一篇博文卻用了這個標題——《維拉·魯賓沒有發現暗物質,她甚至不相信它存在》。

文中說,人們可能會主張,對魯賓所取得的成就的正確表述,就是“她發現了暗物質存在的證據”,儘管魯賓可能會默許這種解釋,但她會發現它不完整,甚至可能會產生誤導。她會說,雖然她發現了暗物質存在的證據,但你不應該從那個聲明中推斷出暗物質確實存在。

這種區別不只是語言文字的問題,對她來說,這是一個理念、誠信的問題——有關科學如何運作的問題。

魯賓曾在1980年預言會在10年內發現暗物質。10年以後,英國皇家天文學家、宇宙學家和天體物理學家馬丁·里斯(Martin Rees)男爵預言,暗物質會在10年內發現,11年以後,里斯在他的書——《我們的宇宙棲息地》(Our Cosmic Habitat)中寫道:“我認為很有可能在十年內實現這一目標。” 5年後,即2006年,在美國物理學會的一次專題研討會上,里斯發誓說,再要5年。

魯賓恰好在聽眾席中,她站起來說:“我知道先前的預言。”

魯賓認為,解決問題的辦法可能是改變我們對引力的理解

魯賓給帕內克講述了上面這件軼事。帕內克在和魯賓交談中看到,關於科學的很重要的一點是,魯賓完成了她的工作,完成了她的觀測,該輪到其他人來對數據進行解釋,預測將來的結果,並且發現結果,或者不發現結果。

“或者不發現結果”吸引着魯賓,也許不可能發現暗物質,也許暗物質根本不存在,也許她在上世紀60年代和70年代觀測到的數據恰恰說明——引力不像牛頓教給我們的那樣在這樣大的範圍內起作用。

從1980年代起,一些理論家和觀測者一直在追求這種可能性,然而,並沒有得到讓人樂觀的結果。

但是魯賓認為,暗物質未被發現的時間越長,越有可能解決問題的辦法是改變我們對引力的理解。魯賓把這個想法告訴了帕內克。

也許該換一個角度審視一下“萬有引力”學說是否正確了

也許宇宙中星體、星系間能夠保持一個相對穩定的關係,具體一點,也許衛星能夠環繞地球運行,並不是萬有引力的作用。

衛星 地球
衛星環繞地球運行也許並不是地球引力的作用(圖片:NASA)

是啊,雖然對於假設出來的暗物質,理論家們為其賦予了各種各樣的性質,甚至還對這些假設出來的不同性質的暗物質進行了分類;實驗者們也開始設計理論上能夠檢測暗物質粒子或粒子集合的儀器設備,試圖用各種間接的、直接的方法去證實它,測定它的存在,或者幻想通過對撞機,在實驗室里把它產生出來。但是,事實上,暗物質從來就沒有被檢測到,或者說沒有被發現。

其實,暗物質是在傳統萬有引力學說相關理論預見的觀測結果,在大量新的觀測數據面前,面臨被證偽(即證明這些理論不正確)的時候,進行特設假設的一個例子。這樣的假設被添加到理論中,以便使該理論被推翻的現實不要出現。這樣的例子在科學理論中並非僅此一例。

為什麼我們不可以換一個角度看問題呢,也許在事實面前被證偽的萬有引力學說本來就不正確,就像盲人摸到象腿時建立起來的理論,在碰到大象的龐大軀幹時就不適用了,因為象腿所表現出來的各種性質、特徵,並不是象腿本身的自主作用,而是因為背後我們看不見的大象所起的作用。

奧地利物理學家、哲學家恩斯特•馬赫(Ernst Mach,1838~1916)經過認真思考這些問題後,提出了“馬赫原理”:物體存在慣性的原因在於全宇宙中所有其它物體對它的作用。說的形像化一些就是一粒沙子之所以有慣性是因為整個宇宙對它的影響,如果誇張一點的話可以這樣說:一粒小小的沙子身上“寄託”了整個宇宙的“存在”,當然這與東方哲學中“一粒沙中可以看見整個宇宙”的說法有些不謀而合,不過這個問題太大,這裡先把它放在一邊。

根據馬赫原理,物體慣性的存在在於宇宙作為一個整體對它的作用,而慣性的存在導致了“引力”的存在,那麼兩個物體間表現出的“引力”的存在也是基於整個宇宙的存在,那麼我們就可以自然的推想兩個物體會互相接近,其實不是由於它們之間的“引力”,而是由於宇宙中所有物質在一起所構成的這個空間環境起到了一種把它們往一起推的效果。

當然這裡需要說明,馬赫原理只是一個無法直接驗證的原理,不過認真考慮你會發現對比憑空出來的「引力」的說法,這個基於整體性的假設其實更合理,更為科學家們所接受。也許未來還有許多的推斷和理論,面對這一切,我們需要放開思維。

也許物質之間的相互聯繫,遠遠不只是我們這個表面物質空間肉眼或各種先進儀器設備所能看到的這一小點。西方實證科學這種解剖、再解剖,把研究對象和整體隔離得越來越遠的研究問題的方法,必然會形成越來越複雜,也許越來越偏離真實的各種理論、假說。也許中國傳統文化中天人合一的宇宙觀,以及不一樣的、把自己作為宇宙萬物的一分子,以自己的生命直接來體悟、研究宇宙萬物的方式,能給人類帶來新的視野和研究問題的新角度。

 

(本文由希望之聲編輯編譯綜合,保留版權。未經希望之聲書面授權,不得轉載。)

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