也许万有引力并不是使星体、星系相对稳定存在的原因(图片:NASA)
也许万有引力并不是使星体、星系相对稳定存在的原因(图片:NASA)

暗物质真的存在吗?也许该换一个角度审视一下“万有引力”学说是否正确了

文思敏
2019-03-19 15:50
“暗物质”常被用来解释科学上观测到的宇宙中的一些现象,可是,实际上暗物质一直没有被发现或证实其存在,连当初因为观测到的现象不符合引力学说的某一理论预测,而引发暗物质概念被广泛接受,自己也因此成名的维拉·鲁宾,在其晚年都提到,“可能解决问题的办法是改变我们对引力的理解。”

2011年1月,拥有美国爱荷华大学创意写作文学硕士学位的理查德·帕内克(Richard Panek)的书——《4%的宇宙》(The 4 Percent Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality)出版了。帕内克因此书获得了2012年美国物理学会(American Institute of Physics)传播奖。

《4%的宇宙:暗物质、暗能量及为发现其余事实的竞赛》封面
《4%的宇宙》封面(图片:amazon

该书阐述了20世纪天文学的发展,包括埃德温·哈勃(Edwin Hubble)于1930年代提出的宇宙膨胀理论的形成,该理论和爱因斯坦的广义相对论结合产生了大爆炸理论模型,以及后来1960年代宇宙背景辐射的发现。帕内克在书中也讨论了这些理论的缺陷和缺失部分,以及两个主要的科学小组经过探索,发现宇宙膨胀的原因与预期的模型并不相符。书中还讨论了理论假设的由大质量弱相互作用粒子构成的暗物质,以及科学家怎样从1990年代以来就一直在试图确定暗能量的存在。

这本非小说类文学作品的出版,把一些科学上的术语引入了大众的视野,如暗物质,暗能量等等。

“暗物质”概念的提出

早在1884年,北爱尔兰出生的英国数学物理学家和工程师开尔文勋爵(Lord Kelvin),因为观测到围绕银河星系中心运转的恒星速度的分散性,估计银河系的质量与可见星体的质量不同,并推断有大部分的星体是暗星体,是不可见的。1906年法国数学家、理论物理学家亨利·庞加莱(Henri Poincaré)在讨论开尔文的工作时,使用了“暗物质”这个词。

1922年,荷兰天文学家雅各布斯·卡普坦(Jacobus Kapteyn)首次提出暗物质的存在。随后在1930年代又有几位天文学家提到有暗物质的存在。

1960年代,美国天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)和经常合作的肯特·福特(W. Kent Ford, Jr. )一起,开始研究我们邻近的仙女座星系(Andromeda Galaxy)的气体和尘埃,目的是检测福特设计的可以提供前所未有的精确度的一种新仪器。

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

但是他们的发现让他们感到很吃惊:在星系外缘旋转的气体和尘埃的速度与靠近星系中心旋转的气体和尘埃的速度一样快。如果星系真的以这样的速度旋转,它应该向各个方向分崩离析,但显然它是稳定的。1970年他们发表了他们的观测结果。但是一次异常检测并不能构成一个引人注目的论证。

螺旋星系中螺旋臂围绕星系中心旋转,从中心到边缘,螺旋星系的发光质量密度降低。 如果发光质量就是所有的物质,那么我们可以将星系模拟为中心点质量,并测试围绕它旋转的质量。

根据开普勒第二定律,预计星系中的物质旋转速度将随着与星系中心的距离加大而减小,类似于太阳系。 可是鲁宾他们没有观测到这种情况。相反,他们观测到,随着离中心的距离增加,星系中的物质旋转速度曲线保持水平。

一般星系中物质的旋转速度和其与星系中心距离的关系曲线。暗物质
一般星系中物质的旋转速度和其与星系中心距离的关系曲线。A为理论预测曲线,B为实际观测曲线。只有假设有暗物质存在,才可以解释这种现象。(图片:维基/PhilHibbs

在1970年代,他们和其他天文学家又在一个个星系中发现了类似的速度模式。无线电天文学家也在利用新的射电望远镜来绘制附近星系中波长21厘米的中性氢原子(HI)谱线。中性氢原子的径向分布通常延伸到比光学研究可获得的更大的星系半径,因而将旋转速度曲线的采样 ,也就是总质量分布,扩展到了新的动力学状态,但是得到的结果也和鲁宾他们的结果相似。

终于,宇宙学家们达成一个共识——星系是嵌在一个更大、更稳定的物质光晕中,我们无法在任何电磁波谱范围内检测到这种光晕,那就是“黑暗”的物质。

鲁宾他们在1980年发表了有影响力的论文,发现大多数星系必须包含大约六倍于可见质量的暗质量,才能解释他们的观测结果。

20世纪80年代的一系列观测数据,包括星系团对背景物体的引力透镜,星系和星团中热气体的温度分布,以及宇宙微波背景中的各向异性模式,也都需要假设暗物质的存在来支持观测结果。

虽然科学界普遍接受暗物质存在这个概念,但仍然有一些天体物理学家对某些不符合暗物质理论的观察结果感兴趣,主张对广义相对论的标准定律进行各种修改,提出了一些新的理论假设,如牛顿动力学修正理论(MOND),张量—矢量—标量引力(TeVeS)等。这些理论试图在不假设有暗物质存在的情况下解释所有观察结果。

维拉·鲁宾没有发现暗物质,她甚至不相信它存在

天文学家维拉·鲁宾于2016年12月25日,在她88岁高龄时去世。媒体报道的标题都宣称她“发现”了暗物质,或者“证实”了暗物质的存在,即便是她退休前在那里工作了半个世纪的卡内基研究所(Carnegie Institution),在宣布她去世的新闻稿中也说,她确认了暗物质的存在。

维拉·鲁宾(Vera Rubin)
左二身着红衣者为天文学家维拉·鲁宾(图片:NASA)

然而,理查德·帕内克在她去世几天后,在“科学美国人”上发表的一篇博文却用了这个标题——《维拉·鲁宾没有发现暗物质,她甚至不相信它存在》。

文中说,人们可能会主张,对鲁宾所取得的成就的正确表述,就是“她发现了暗物质存在的证据”,尽管鲁宾可能会默许这种解释,但她会发现它不完整,甚至可能会产生误导。她会说,虽然她发现了暗物质存在的证据,但你不应该从那个声明中推断出暗物质确实存在。

这种区别不只是语言文字的问题,对她来说,这是一个理念、诚信的问题——有关科学如何运作的问题。

鲁宾曾在1980年预言会在10年内发现暗物质。10年以后,英国皇家天文学家、宇宙学家和天体物理学家马丁·里斯(Martin Rees)男爵预言,暗物质会在10年内发现,11年以后,里斯在他的书——《我们的宇宙栖息地》(Our Cosmic Habitat)中写道:“我认为很有可能在十年内实现这一目标。” 5年后,即2006年,在美国物理学会的一次专题研讨会上,里斯发誓说,再要5年。

鲁宾恰好在听众席中,她站起来说:“我知道先前的预言。”

鲁宾认为,解决问题的办法可能是改变我们对引力的理解

鲁宾给帕内克讲述了上面这件轶事。帕内克在和鲁宾交谈中看到,关于科学的很重要的一点是,鲁宾完成了她的工作,完成了她的观测,该轮到其他人来对数据进行解释,预测将来的结果,并且发现结果,或者不发现结果。

“或者不发现结果”吸引着鲁宾,也许不可能发现暗物质,也许暗物质根本不存在,也许她在上世纪60年代和70年代观测到的数据恰恰说明——引力不像牛顿教给我们的那样在这样大的范围内起作用。

从1980年代起,一些理论家和观测者一直在追求这种可能性,然而,并没有得到让人乐观的结果。

但是鲁宾认为,暗物质未被发现的时间越长,越有可能解决问题的办法是改变我们对引力的理解。鲁宾把这个想法告诉了帕内克。

也许该换一个角度审视一下“万有引力”学说是否正确了

也许宇宙中星体、星系间能够保持一个相对稳定的关系,具体一点,也许卫星能够环绕地球运行,并不是万有引力的作用。

卫星 地球
卫星环绕地球运行也许并不是地球引力的作用(图片:NASA)

是啊,虽然对于假设出来的暗物质,理论家们为其赋予了各种各样的性质,甚至还对这些假设出来的不同性质的暗物质进行了分类;实验者们也开始设计理论上能够检测暗物质粒子或粒子集合的仪器设备,试图用各种间接的、直接的方法去证实它,测定它的存在,或者幻想通过对撞机,在实验室里把它产生出来。但是,事实上,暗物质从来就没有被检测到,或者说没有被发现。

其实,暗物质是在传统万有引力学说相关理论预见的观测结果,在大量新的观测数据面前,面临被证伪(即证明这些理论不正确)的时候,进行特设假设的一个例子。这样的假设被添加到理论中,以便使该理论被推翻的现实不要出现。这样的例子在科学理论中并非仅此一例。

为什么我们不可以换一个角度看问题呢,也许在事实面前被证伪的万有引力学说本来就不正确,就像盲人摸到象腿时建立起来的理论,在碰到大象的庞大躯干时就不适用了,因为象腿所表现出来的各种性质、特征,并不是象腿本身的自主作用,而是因为背后我们看不见的大象所起的作用。

奥地利物理学家、哲学家恩斯特•马赫(Ernst Mach,1838~1916)经过认真思考这些问题后,提出了“马赫原理”:物体存在惯性的原因在于全宇宙中所有其它物体对它的作用。说的形像化一些就是一粒沙子之所以有惯性是因为整个宇宙对它的影响,如果夸张一点的话可以这样说:一粒小小的沙子身上“寄托”了整个宇宙的“存在”,当然这与东方哲学中“一粒沙中可以看见整个宇宙”的说法有些不谋而合,不过这个问题太大,这里先把它放在一边。

根据马赫原理,物体惯性的存在在于宇宙作为一个整体对它的作用,而惯性的存在导致了“引力”的存在,那么两个物体间表现出的“引力”的存在也是基于整个宇宙的存在,那么我们就可以自然的推想两个物体会互相接近,其实不是由于它们之间的“引力”,而是由于宇宙中所有物质在一起所构成的这个空间环境起到了一种把它们往一起推的效果。

当然这里需要说明,马赫原理只是一个无法直接验证的原理,不过认真考虑你会发现对比凭空出来的「引力」的说法,这个基于整体性的假设其实更合理,更为科学家们所接受。也许未来还有许多的推断和理论,面对这一切,我们需要放开思维。

也许物质之间的相互联系,远远不只是我们这个表面物质空间肉眼或各种先进仪器设备所能看到的这一小点。西方实证科学这种解剖、再解剖,把研究对象和整体隔离得越来越远的研究问题的方法,必然会形成越来越复杂,也许越来越偏离真实的各种理论、假说。也许中国传统文化中天人合一的宇宙观,以及不一样的、把自己作为宇宙万物的一分子,以自己的生命直接来体悟、研究宇宙万物的方式,能给人类带来新的视野和研究问题的新角度。

 

(本文由希望之声编辑编译综合,保留版权。未经希望之声书面授权,不得转载。)

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