宇宙中的暗物質真的存在嗎？

暗物質的存在一經證實，意味著人類首次發現了暗物質存在的形式，將是物理學的重大突破。暗物質被稱為"世紀之謎"。它"霸佔"了宇宙95%的地盤，卻摸不到看不著，甚至讓愛因斯坦都迷糊了，否認了它的存在。令人興奮的是，經過10年觀測，紫金山天文台專家捕捉到了很可能是暗物質留下的"足跡"--高能電子，這可能是暗物質存在的一個有力證據。撲朔迷離的暗物質地球距離太陽1.5億千米，以每秒29.78千米的速度公轉，圍繞太陽轉一圈是1年；而距離太陽14億千米的土星繞太陽一周則是30年，公轉速度只有每秒6.81千米；海王星和冥王星轉一圈竟是100多年，繞太陽旋轉更慢。可見星球距離星系中心越近，所受引力越大，轉動速度越快。人造地球衛星圍繞地球轉動也是這樣。這是太陽系裡的情況。那麼億萬顆恆星組成的龐大的星系也應該是這樣吧？科學家的確是這麼認為的，因為星系中所有的恆星都在圍繞著星系的中心旋轉，越靠星系邊緣的恆星受到的引力也是越小，肯定是靠近中心的恆星旋轉速度最快，越靠外緣，旋轉越慢。

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可是觀測結果卻和人們的想法截然相反！星系最邊緣的恆星並沒有落後，而是比預料中的速度要快得多，若根據牛頓引力定律，這樣的速度會讓邊緣的恆星從星系中飛出去，可這樣的情況並沒有發生，好像有一種我們看不見的無形的物質把這些恆星抓在一起，防止它們各自飛散。 另外，愛因斯坦告訴我們，光線在經過大質量天體附近時會彎曲，由於這一點，在地球上的我們看過去，很可能一顆星星就變成了許多星星，星星會出現許多虛像，星星的亮度也會增大許多，這就是廣義相對論所預言的引力透鏡效應，就像引力場具有凸透鏡的聚焦作用，可以把一顆星發出的光收攏和聚集。現實確實如愛因斯坦所言，只是所觀察到的引力透鏡效應有時卻出奇地強大，好像光線經過了質量非常大的天體周圍，被彎曲得很厲害。可實際上天文觀測卻沒有發現那個質量巨大的天體。

以上種種現象引發了科學家們的苦苦思索，為了解釋這些現象，科學家推測星系中的恆星是埋沒在我們看不見的冷暗物質中，就像太陽被球形光暈包圍著一樣，只是這種暗物質暈我們還無法探測。也許是暗物質提供了額外的引力，保證了邊緣恆星的快速旋轉，引發了光線產生較大的彎曲。 自此以後，人們開始忙於研究和尋找暗物質，但是自1933年暗物質被提出以來，經過了這麼多年的研究，暗物質還是那麼不可捉摸。人們通過各種類型的望遠鏡雖然觀測到了許多原本沒有發現的物質，但這些物質的質量顯然太小，並不是科學家們所描述的瀰漫於宇宙空間、支配星系運轉的暗物質。而且暗物質的假設有很多漏洞，首先，暗物質到底是由什麼粒子組成的，科學家想像不出來，這種物質沒有體積，沒有壓強，難以捉摸。粒子物理學推延到各種極端情況下，會描述出極端條件下的許多奇異粒子，但在這些奇異粒子中也無法找到能夠組成暗物質的什麼粒子，可以說探測暗物質粒子的所有實驗都沒有成功過。對於暗物質還沒有任何實際的對應粒子，它只是用來解釋宇宙中的一些現象時引入的概念。暗物質到底存不存在？如果尋找和研究的都是不存在的物質，豈不是很徒勞?如果不引入暗物質，能否通過別的途徑解釋所觀測到的宇宙中的現象嗎？一些科學家於是把目光聚焦在引力理論的調整上：也許我們對引力的理解有誤，牛頓引力理論和愛因斯坦的廣義相對論需要一個更適用的引力理論來替代。

牛頓第二定律有局限牛頓第二運動定律認為，質量一定的物體所產生的加速度與所受的力成正比，這個定律得到了普遍驗證，每個上過中學的人都很熟悉。但如果加速度極小，例如1.0×10-15米／秒2，若粒子從零以這種加速度加速，耗盡整個宇宙的歷史那麼長的時間，都只能達到幾百米／秒的速度，在這麼小的加速度下，牛頓定律還會適用嗎?沒有人去驗證。可這種情況正是星系那麼大尺度的範圍內出現的情況，由於恆星之間的距離是那樣的遙遠，相互之間的吸引力極其小，而恆星的質量又較大，於是引力對恆星產生的加速度就非常小。以色列韋茲曼研究院的科學家米格羅懷疑：在星系邊緣恆星的加速度如此小時，牛頓第二運動定律已不再適用。他引入了一個常數a0=1.2×10-10米／秒2，對牛頓引力定律作了修正，這個常數的意義是：一個光子若以這個加速度加速，經過整個宇宙的歷史時間可以從零加速到光速。修正的牛頓引力定律如下：當引力提供的加速度a遠遠大於常數a0時，牛頓定律仍然適用，而當加速度遠遠小於這個常數時，產生同樣的加速度所需要的引力就將是原來的a／a0倍，意思是產生那麼小的加速度所需要的引力比預計的要小得多。

因此，雖然星系邊緣的恆星所受的星系中心的引力非常小，但同樣可以產生足夠的加速度，驅動恆星以較高的速度公轉，根本不需要任何暗物質來幫忙，把恆星束縛在星系中。用米格羅的這個理論推算出的恆星的旋轉數據與實際觀測的結果很是吻合，也與引人暗物質後的計算結果很吻合，這說明米格羅的理論能夠完美地解釋星系的運轉，可以替代神秘莫測的暗物質理論。不過，任何有價值的理論不僅僅要能夠解釋一種現象，還要能夠解釋相關的更多現象。廣義相對論所解釋的光線在引力場會彎曲和引力透鏡效應，米格羅的理論是無論如何也無法解釋的，因為這個理論只是對牛頓引力理論的修正。而且，米格羅的理論還違反了物理學基礎定律——動量守恆定律，除非動量守恆定律也需要修改。暗物質可以不存在米格羅本人也覺得他的理論不夠完善，於是和其他一些科學家一起致力於研究更完善的引力理論。2004年，巴勒斯坦的科學家拜肯斯塔推出了一個適用範圍更廣的引力理論，引起了許多天文學家、天體物學家和宇宙學家的關注，讓科學家開始認真地考慮是否要拋棄暗物質這個慨念。拜肯斯塔在複雜的理論公式中引入了兩個量：表示不同地點引力大小的量和決定光線如何被引力場影響的量。這樣，他的理論就成功延伸到了三個世界，幾乎適用於所有領域。在高速和引力加速度較大的世界裡，拜肯斯塔的引力理論就會描述出光線彎曲，並出現引力透鏡效應，不光是光子，高速運行的粒子也會出現這種情況，也就是說廣義相對論是拜肯斯塔理論在高速世界裡的特例。

在低速或引力加速度較小的情況下(例如在地球)，拜肯斯塔引力公式又演變成了牛頓引力理論的形式，可見牛頓引力公式又是拜肯斯塔理論在低速和引力加速度較低時的特例。而米格羅引力理論則是在引力加速度更小的情況下的特例，適用於描述星系大範圍的運轉模式。這意味著拜肯斯塔引力理論是上述三個理論的推廣，上述引力理論是拜肯斯塔引力理論在不同條件下的表現形式。由於具有充分的相對性，拜肯斯塔理論還能夠預測大範圍宇宙的運轉情況。這個理論並沒有引入暗物質；而且通過理論計算，這個理論還可以正確描述宇宙微波背景輻射的溫度起伏。至此，拜肯斯塔引力理論已經可以作為一種新的引力理論替代傳統的引力理論，它好像能夠預測宇宙的方方面面，應用範圍更廣。只要宇宙中各種物質的運轉規律確實如拜肯斯塔引力理論所描述的那樣，宇宙中就不必存在暗物質!暗能量也不存在?拜肯斯塔引力理論雖然幫助我們去掉了惱人的暗物質，可是「暗能量」卻還在困擾著我們。

1997年，天文學家觀測到了我們的宇宙正在加速膨脹，好像一種神秘的力量正在把宇宙撐開，由於科學家不知道這神秘的力量到底是什麼，只好叫它「暗能量」。可是比暗物質還糟糕的是，科學家對於暗能量更是一無所知，無從研究。暗能量是否也像前面所說的暗物質那樣，用另一個理論把這個概念剔掉呢?一種叫「共形引力」的理論解決了宇宙的膨脹問題。這個理論並不是對廣義相對論的改良，而是用一種嶄新的、完全代替了傳統的理論。「共形引力」理論的數學形式很是複雜，這個理論有一個令人滿意的結論：在局部的範圍內，引力還是引力（吸引力），而在宇宙尺度範圍內，引力就變成了斥力。這樣，這個理論就能夠解釋宇宙加速膨脹問題和星系自轉的問題，不需要引入暗物質，也不需要引入暗能量。不過共形引力理論的宇宙學預測還需要進一步驗證。當然，我們應該明白，經典的牛頓、愛因斯坦引力理論在我們生活的世界裡(從毫米尺度到冥王星的軌道範圍內)工作得特別好，因此人們在取消這些理論前還是要一再斟酌，倍加謹慎。如果，暗物質在將來真的被科學家揪了出來，一些新奇的引力理論也就只是水中月。但如果經典的引力理論面對宇宙中的—些神秘現象，越來越難以自圓其說的時候。突破傳統理論，尋找更普遍適用的理論就成為物理學家的追求。也許拋棄暗物質和暗能量的概念並沒有錯。

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