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物理学的哲学意义(第二十四章)

(2020-09-18 14:11:11)
分类: 物理学的哲学意义

第二十四章 暗物质疑难

暗物质的猜测最初来自对银河系中恒星运动的研究。从牛顿的力学定律可以知道,质量为m,距银河系中心为 R 的的恒星,在万有引力作用下的转动速度为v, 可以推出 GMm/R2=mv2/R,式中 M 为银河系中心(质心) 的质量,G 为万有引力常数。因此

v=(GM/R)1/2

即离银河系中心越远恒星的转动速度应该越小。但是研究发现银河系中恒星的转动速度并不随 R 的增大而减小,好象变化不大。于是人们推测银河系中可能存在像“晕”一样呈球状均匀分布的暗物质。这些暗物质能与通常物质一样产生万有引力,只是不能通过光学或电磁手段观测它们。银河系中的暗物质象球一样分布,对上式中的 M 有贡献。离银河系中心越远,M 和 R 都增大,所以恒星运动速度不随 R 增大而减小。以后发现上述情况不仅存在于银河系中,宇宙中所有星系,星系群都有均有类似情况。

在天文观测中发现从遥远星系传来的光线,如果在途中遇到大质量的星体,光线会发生偏折,使发出光线星系的图像变为多个,或者呈现环状——爱因斯坦环, 这一现象称为引力透镜。但是观测发现引起引力透镜的星体的质量过小,似乎不可能形成引力透镜,所以人们就猜测引力透镜附近存在大量的暗物质。

目前,大多数学者认为宇宙中存在大量的暗物质,暗物质远多于可视物质。暗物质的结构和性质尚不明确,但可以确定的是,它们象普通物质一样产生引力,造成时空弯曲;但不参与电磁作用,对光是透明的。

以上就是现代物理学对暗物质的解释,其实暗物质并不存在,它只不过是动场作用的效应。下面,我试图用引力理论对上述恒星速度不随星系半径增大而减小, 以及引力透镜现象做出解释。根据力学定律在万有引力作用下必然推出,

GMm/R2=mv2/R

v=(GM/R)1/2

但观测实事是速度 v 几乎是个常量,上式不是忽略了暗物质的存在,而是忽略动场作用。牛顿力学的时空基础是某个惯性系,我们利用牛顿理论来解决任何问题必须考虑这个先决条件。在惯性系中各点的运动速度必须相等,这样我们才能把时空中物质用质点系的理论来考虑。也就是说时空中各点时空相同——各质点相对静止,我们才能把物质全部质量集中到质心来考虑它所激发的引力场——静场。我们以星系中心为原点建立基础坐标系,那么星系物质(星体)相对基础时空都是运动的,这样的时空不是牛顿力学适用的时空,不能使用牛顿力学理论来解决问题。如果把星系比喻成一个物质圆盘,若圆盘相对基础时空(以星系中心为原点的直角坐标系)不转动,则牛顿理论是适用的,若圆盘是转动的,则牛顿理论是不适用的。所以,用公式GMm/R2=mv2/R或 v=(GM/R)1/2,不能作为解释暗物质存在的理论基础。要解释星系中随着 R 增加,v 不变化的问题必须的考虑动场的作用。

星系之中,根据观测结果,所有物质(星体)都绕心做圆周运动,也就是说若取星系中心为原点建立基础坐标系,星系之中其它点(星系时空)都是惯性系,那么意味着静场为恒定的等静场(U=0)——静场对星系时空没有影响——对星体运动没有影响,也就说星系之中只有动场对时空有影响。星系中的物质的分布不是全部集中于中心的,必然会有一些物质围绕中心转动,而且越靠近中心物质的密度越大。那么这些转动的物质会产生动场,动场的作用使星系时空发生弯曲,使星系中的物质绕心做圆周运动。由于星系物质分布不均匀,动场的强度 B 随 R 增大而减小。离心力 mv2/R——也就是恒星的惯性力与动场力相对,它们大小相等,方向相反是作用力与反作用力。

Bmv=mv2/R

v=BR

因为随着 R 增大,B 减小,所以 v 几乎不变。在上述讨论中,万有引力 GMm/R2 是我们所在时空的两物质 M、m 的相互作用,而离心力——恒星 m 所受的惯性力似乎没有来源,其实它就是 m 所受的动场力的反作用力。相对于基础坐标系运动的坐标系必然有动场的存在,这个动场力来自运动坐标系产生速度 v 时,某个静场 Q 的作用,所以 Q 就是惯性力的来源。宇宙中所有相对基础坐标系运动的星体,其惯性来源就是这个静场 Q——奇点大爆炸。

当光线从遥远星系传来,经过某个运动星体时,运动星体激发的动场必然会对光线的传播产生影响(光线不受静场力——万有引力的影响)。如果光线受到垂直传播方向并随时间在垂直于光线方向的平面内转动的动场的作用。光线就会受到一个垂直传播方向的动场力,而偏离原来的传播方向。随着时间的流逝,光就会在垂直于传播方向的平面上留下一个圆形的光痕,由于光的速度很大,以及视觉的暂留作用,人们就会在上述平面上看到一个光环——爱因斯坦环。由于光子的速度大,动量大,所以即便激发动场的星体的质量不大,爱因斯坦环效应也会很明显。顺便说一句,形成爱因斯坦环的动场的激发者可能是以光线为轴作螺旋运动的星体。

就象我在讲狭义相对论时说的,静止坐标系与运动坐标系之间存在一个隐形的引力场的作用。只不过它不存在于当前时空之中,或者说它与当前时空的作用是不同时的,这可能就是同时性的相对性的起源。

图 24-1

如图 24-1,坐标系 k/-o/x/y/相对静止(基础坐标系) 坐标系 k-oxy 以速度 v 运动,质点 m1、m2 分别静止于 k、k/中,相距为 r。根据非相对论力学和相对论力学,m1、m2 之间的万有引力(静场力)分别为

F非=Gm1m2/r2

F相=Gm1m2/r2(1-v2/c2)1/2

F=F相-F非=(Gm1m2/r2)〔1/(1-v2/c2)1/2-1〕

以基础时空 K 来看,两质点之间引力就为 F非,但实际上是 F相。那么它们之间的差 F也应当是一种相互作用,这个作用的起源就是那个隐藏的引力场的作用。这个隐藏的引力场的作用不仅增加了当前时空中的静场的作用,还会改变物体的运动方向。在另一个时空中它是静场,在当前时空中它激发动场——这就是动场的意义。所以,动场是另外时空中的作用(静场作用)在当前时空中的效应。

根据相对论,m=m。/(1-v2/c2)1/2,它们之间的差

m=m。〔1/(1-v2/c2)1/2-1〕

m 就是 m。在别的时空中与 m3(m3 不在当前时空之中)作

用时表现出来的质量,m3 就是暗物质——一个不存在于当下时空中的静场作用所表现出来的物质。因为它不在我们当前的时空之中,所以我们看不到它,但是它产生的万有引力效应在当前时空之中以动场的作用形式体现,并且它是当前时空变形的主要动因。

我们当前所处的宇宙之中,不管你如何选择基础坐标系,总有些物质——甚至大部分物质都是处于运动之中。运动物质必然会激发动场,而动场作用效应就是暗物质存在效应,所以宇宙之中存在更多的是暗物质。只不过它们不在我们的当前时空之中,我们不能用当前时空去研究它,但它的引力效应体现在动场的作用之中。暗物质不存在于我们当前的时空之中,因此,无论如何选择基础坐标系,或者采用什么探测方法,除了它表现给我们的时空效应,永远不可能找到暗物质。

宇宙之中的大部分物质,不管你如何选择基础坐标系,它们都是运动的。那么什么是那个使其运动的隐性的引力场呢?我认为就是宇宙大爆炸。大爆炸赋予宇宙物质强大的动能,它不仅是物质质量的造就者(当前时空中静场作用的起源);还是时空弯曲的造就者(当前时空中的动场作用的起源)。现在时空(宇宙)中的一切物质的性质都与大爆炸有关——都起源于大爆炸,这是自然自在之律;不过不同的基础坐标系观测的结论不同,这就是相对论的意义所在。对于当前时空的作用,那些能被我们看到的物质只是大爆炸效应的一小部分。大部分大爆炸的效应隐藏在宇宙物质强大的动能之中。这可能就是暗物质、暗能量在当前时空中的效应。

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