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来源:杨文资讯 2020-01-11 16:29:42

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内容提要:浅谈宇宙构成中的暗物质(上) 文 | 陈思进 有“科幻界的莎士比亚”之美誉的h.g.威尔斯在科幻小说《隐形人》中描写道,一个人如果漂浮于我们之上的第四维当中,他就会隐形。因此,虽然另一个宇宙中的星系是不可见的,但它会有质量,而这可能正是暗物质。

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最新利来网站皆选ag发财网,在之前《再谈平行宇宙可成真?》(《科普时报》2019年3月15日第3版)中,我介绍了将各种相容形式的超弦理论统一起来的m理论,解读了科学家发现宇宙可以存在一种叫做膜的面,并进而判断出或许宇宙本身就是一张膜,漂浮在一个十一维时空之中,并提及了暗物质的概念。从这篇文章开始,我将简单地介绍一下什么是暗物质,以及与其相关的暗能量。

浅谈宇宙构成中的暗物质(上)

文 | 陈思进

有“科幻界的莎士比亚”之美誉的h.g.威尔斯在科幻小说《隐形人》中描写道,一个人如果漂浮于我们之上的第四维当中,他就会隐形。想象有两张平行的纸张,一个人漂浮于其中上方的纸张上,下面的人就看不到他了。

对此有科学家提出,暗物质或许是一个漂浮于我们之上的、另一个膜宇宙中的普通星系。由此他们推断,可以把我们的宇宙比作一张膜,我们在这张膜上度过我们的一生。不过在我们的正上方,可能还有一个平行宇宙(之前我曾用三篇文章介绍了平行宇宙)徘徊在我们身边,或许只是几厘米的距离,这个平行宇宙的物体不可见,光在宇宙下面传播。所以,我们永远看不到这个平行宇宙里的星系。

但是,引力却可以在宇宙之间通过。因为,引力只不过是空间的弯曲(了解广义相对论的读者都知道),所以,如果两张膜之间的空间稍微弯曲,引力就会在平行宇宙之间穿越。因此,虽然另一个宇宙中的星系是不可见的,但它会有质量,而这可能正是暗物质。它们具有引力,可惜我们看不见,因为它与光或电磁力没有相互作用。就此产生了这样一个理论,认为也许暗物质只不过是另一个维度中的、在我们上方漂浮的普通物质而已。

那么,科学家为何要引入暗物质,他们又是如何引入暗物质的概念呢?让我们回到1932年,从头开始讲起吧。

当时,荷兰天文学家杨·奥尔特在测量恒星到银河系中心(以下简称银心)不同距离的速度时,发现了一个奇怪的现象,就是银河系的旋转曲线不正常(请见附图,虚线a:开普勒定律预测的漩涡星系(spiral galaxy)的旋转曲线。实线b:实测的典型漩涡星系的旋转曲线),实际观测结果距离银心越远的天体,旋转速度就越大,而且在近距离有一个急速的增长,之后就趋于平缓了。

这与我们从中学物理课中学到的不一样呀,这是什么原因呢?

以太阳系为例,根据开普勒定律和牛顿运动定律,很容易得到行星绕日的公转速度与半径之间的关系,速度的平方应该是与距离成反比(或者说速度应该与距离的平方成反比),即距离太阳越近的行星的公转速度应该越快,越远的行星公转速度就应该越慢。而事实上,太阳系的八大行星的公转速度的确符合这个规律:海王星最慢,水星最快。

再来看一下银河系的旋转曲线,是不是发现不对了?它不但没有下降反而上升了,在距离银心比较近的这一段,急速上升的过程还可以解释,转速随着距离增加的模型倒也常见,如一个圆盘上距离中心越远的点,速度就是越快的,这叫“刚性旋转”。

既然距离银心比较近的地方出现刚性旋转的特点,我们就可以利用刚性来解释问题了。也就是说,银心是一个大黑洞。因为引力大,天体都往中间去,导致银心附近的密度比较大,在一段距离之内就是近似的一个刚性圆盘,这些点的旋转速度就是随着距离增加的。

可是离银心比较远的地方密度不够大,那就应该符合太阳系的结果了吧——随着距离的增加,速度是应该降下来的。所以在理论上的预言:银河系的旋转曲线应该先急速增加,然后随着距离而下降。

不过问题就出现在后半段:真实情况是并没有降下来。

例如,我们的太阳系距离银河系中心2.6亿光年,绕一圈要2.4亿年左右。太阳系的旋转速度,就是以每秒240公里的速度围绕银心旋转,速度非常快,可牛顿告诉我们不可能这么快的,因为要是这么快,就不能形成稳定的圆轨道,速度一快太阳系就飞出去了,那么整个银河系不就散架了吗?但事实上银河系并没有散啊!这就是问题所在。

对此,科学家提出了两种假设:

要么是牛顿错了,万有引力定律可能只适合太阳系,在银河系的尺度下就不适用了;要是牛顿没有错,银河系想要保持不散架,并具有现在的旋转曲线,而我们的太阳系也不被甩出去,那它的真实质量就应该比我们的预计的要大得多,可能是10倍左右,应该是一团比银河系大得多的物质把银河系包围住了,这一团全部质量分布的区域叫做星系晕。

这两个假设在理论上确实都有可能存在(早期也确实有科学家研究修改牛顿引力理论,现在变少了,因为又有新的证据出现)。所以奥尔特在1932年,最早提出银河系中可能有我们看不见的物质在提供引力。

到了第二年(1933年),瑞士天文学家、加州理工学院教授佛里茨·茨威基把视线伸出银河系,对准了后发座星系团,通过对星系团的运动速度等数据,计算了整个星系团应该有的质量,也就是动力学质量,然后再观测了整体的光度,运用动力学质量比光度,这个比值就叫做“质光比”(即质量比上光度),来和太阳的质光比做比较。

茨威基通过比较发现,后发座星系团的质光比,要远大于太阳的质光比。这说明了后发座星系团的动力学质量要比光度质量大。说白了,我们看到的那些质量,不足以让它发出那么强烈的光,一定还有我们看不见的质量。

下篇接着谈。

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