修正引力如何取代暗物質理論？

暗物質也許是一種新的物質形態，存在我們還沒有發現的暗物質粒子；暗物質也許不是一種新的物質形態，不存在我們搜索了幾十年的暗物質粒子。雖然我們在地下、地面和太空的搜索活動中沒能發現理論預期的暗物質粒子，但是「暗物質現象」是毋庸置疑的，無論是對天體「暗引力」的觀測，還是對星系內天體運行速度的測算都發現了這一現象，暗物質理論是解釋「暗引力」的主流理論，不排除其它可以解釋這一現象的非主流理論。有各種各樣的暗物質理論，也有形形色色的去暗物質理論。在「暗物質現象」沒有得到充分解釋的情況下，本作者認為使用「暗引力現象」似乎更準確一些，因為導致「暗引力」產生的物質既可能是我們觀測到的普通物質，也可能是我們沒有觀測到的普通物質。我們使用「暗物質」概念有「先入為主」的嫌疑，彷彿「暗物質」在我們的周圍和宇宙中無處不在，可以「順藤摸瓜」，找到那些「東躲西藏」的暗物質粒子一樣。

科學家發現了大量「暗引力現象」的證據，如果沒有「暗引力」、或者「額外引力」的作用，星系內的一些恆星和行星將會逃離它們的「家園」，走向一條「不歸之路」，星系團內的星系將不能形成穩定的體系，在「走出去」力量的驅動下發生「四處逃逸」的行為。物質是引力產生的原因，如果導致「暗引力」發生的是普通物質，那麼它們應當是我們看不見的昏暗物質；如果導致「暗引力」發生的是暗物質，那麼它們可能是一種新型的物質，它們不與電磁波產生任何的相互作用，既不吸收光線，也不發射光線，完全在我們的視線和探測範圍之外，我們雖然不能直接地看見和探測它們，但是可以通過引力的作用間接地發現它們。近日，美國俄亥俄大學的一支天文團隊在對樣本星系的研究中挑戰了現有的暗物質理論，他們對「暗引力現象」提出了一種新的理論解釋，可以將他們提出的「自然定律」稱之為修正版的萬有引力理論，無需暗物質的作用，僅僅通過普通物質的作用可以解釋星系的穩定和星系內恆星旋轉速度的問題。

俄亥俄大學的天文團隊提出的「引力新論」與所謂的宇宙學標準模型不一致，按照標準模型的解釋，需要巨大數量的暗物質來維繫星系的穩定，這些「神出鬼沒」的暗物質可以解釋星系外側的恆星為什麼比星系內側的恆星旋轉速度更快，甚至相同的原因。如果在標準模型理論中不引進暗物質，那麼星系外側的恆星在沒有更多引力的約束下會飛出星系。俄亥俄大學的天文團隊在對星系運動的研究中發現了可見物質和星系旋轉之間顯著的相關性，排除了暗物質發揮「額外引力」的可能性。儘管他們提出的理論模型僅僅使用了普通物質，但是不能由此斷言暗物質理論從此「煙消雲散」，退出主流宇宙學的舞台。也許存在修改主流理論的可能，俄亥俄大學提出的觀測解釋不是最後的結論，需要進一步的觀測和理論探索。

根據俄亥俄大學天文團隊的解釋，可以將我們的太陽系看成是引力作用的「樣本」，其中的行星符合約翰尼絲·開普勒在17世紀制定的行星運動的「簡明規律」。「開普勒定律」說明了太陽系中行星的運動速度與它們到太陽的距離存在精準的對應關係，比如：水星沿太陽轉動的平均速度為每秒47公里，而更遠的冥王星沿太陽轉動的平均速度只有水星的十分之一。奇怪的現象發生星系，星系內的恆星似乎違背了開普勒定律，這些恆星離開星系中心的距離越遠，轉動的速度應該越慢，事實恰恰相反，遠中心恆星的轉動速度不僅沒有慢下來，它們的轉動速度還「莫名其妙」地增加了，按照目前的引力理論，星系外緣的恆星以如此的速度轉動應該「衝出」星系，飛向茫茫的太空，於是，天文學家設想了一種暗物質的「額外引力」將這些本來「不安分」的恆星穩定在星系中，「還是一家人，不說兩家話」。

上個世紀50年代，瑞士天文學家弗朗茲·茨維基首先構想了暗物質概念，上個世紀的70年代，美國天文學家維拉·魯賓推動了暗物質理論的形成，他們回答了星系中恆星轉動「異常」的問題，一定有額外物質為星系外緣的恆星提供更大的引力作用，預計在星系內和星系邊緣的「暗物質」比我們看到的普通物質高出了10倍以上。但是，經過40多年的搜索，還是沒有找到理論預期的暗物質，一些「灰心喪氣」的物理學家認為：搜索傳說中的暗物質就像在空曠的田野上追逐一大群野鴨一樣。在如此的背景下，俄亥俄大學的天文團隊轉而尋求對更多普通物質的搜索，他們終於發現了普通物質的分布和星系轉動速度之間應有的關聯性，他們的研究排除了暗物質的引力作用。

根據俄亥俄大學天文團隊的解釋，他們審視了斯皮策太空望遠鏡收集的153個星系的數據，斯皮策太空望遠鏡有紅外線成像的強大功能，能夠看見恆星和恆星之間巨量分布的塵埃，他們重新計算了這些星系中可見物質的數量，在更加精確的計算中比較了可見物質數量與星系內一些恆星實際轉動速度的關係，發現這些可見物質足夠提供引力的作用，足夠定義一種新型的規律，本質上體現了開普勒定律在星系旋轉中的應用。他們研究的153個樣本星系在外形上有顯著的變化，既有「小個子」的矮星系、也有「大個頭」的巨星系；既有規則的漩渦星系，也有不規則星系；既有中央凸起的星系、也有中央扁平的星系，所有這些星系不需要暗物質的「額外引力」，都能在普通物質的框架下維持星系的穩定。

天文觀測提供了大量暗物質存在的證據，現在，俄亥俄大學的天文團隊提供了相反的解釋，之前諾丁漢大學的國際團隊估計我們的宇宙至少有2萬億個星系，而不是過去估計的2千億，難道我們要放棄暗物質的概念，或者要大大降低暗物質在宇宙成分中的比重？現在開始談論暗物質是多餘的概念還為時過早，更不能立刻放棄對暗物質粒子全方位的搜索，因為不排除一些看不見的、隱秘很深的星系是暗物質星系的可能。除了用更多的普通物質來代替暗物質的作用以外，一些物理學家還「別出心裁」地提出了一些「重新修訂」的引力理論，他們認為牛頓的萬有引力定律也許在非常大的尺度上失效了，就像在非常小的尺度上失效了一樣，修正版的引力理論已經成功地應用到對星系旋轉速率的研究。新的引力理論也許限制了暗物質的數量和分布，對我們理解暗物質的性質和它們與普通物質的聯繫有幫助，因此，無論是天文學家在星系內外發現了更多的物質，還是物理學家修正了萬有引力理論，他們都沒有完全擯棄暗物質概念，這一概念不會因為幾次重大的天文發現就退出科學思想的舞台。

2016-10-19

( Revision of gravitational theory how to replace the concept of dark matter? )

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！