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暗物质是什么?暗物质到底在哪里?聊聊暗物质的前世今生

(2019-12-31 10:29:54)
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林家乐生命学

杂谈




暗物质是什么?暗物质到底在哪里?聊聊暗物质的前世今生



原创 书房记


作者丨李春生(书房记特约专栏作者)

暗物质是什么?暗物质到底在哪里?聊聊暗物质的前世今生

暗物质是什么?这个问题说起来还挺复杂的。我们像鱼一样生活在水中,我们生活在暗物质之中;鱼儿不知道水是什么,我们不知道空间是什么。

暗物质是什么?目前的标准解释是,暗物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质,它可能是宇宙物质的主要组成部分,但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的运动、牛顿万有引力的现象、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中,其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。问题是,空间中无处不在的物质为什么却无法确认它们是什么呢?这事儿还得从头说起。

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早在1922年,天文学家们发现,按照牛顿万有引力定律和开普勒定律,如果星系的质量主要集中在星系核区的可见星体上,那么,星系外围的星体的速度(利用高精度的光谱测量技术,可以探测到远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系。)将随着距离而减小。但观测结果表明, 星系外围的区域中星体的旋转运动速度远比通过开普勒定律预期的要大,并且对应于较大的星系质光比(星系质量和光度的比值﹐通常以太阳质量和太阳光度为单位。通过对双重星系,例如对星系团的观测﹐可求出各种不同类型的星系的质光比)。这意味着星系的质量比“可见”的发光星体的质量总和要大很多倍,如果仅靠星系中可见的星体质量产生的引力无法将星体束缚在星系团内的,按照目前的星系的旋转速度,星系将因为离心力(还没有将暗能量的排斥力计算在内)而分崩离析。

简单的说,按照星系发光星体的质量(质光比估算),星系以目前的速度旋转,星系将会四分五裂,因此,要么是牛顿引力定律错误,要么星系的实际质量比目前估计的质量大百倍。这些“不可见”的物质不发光,也无法观测,所以称其为暗物质。除去不发光的星体(例如黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星和行星等),估计宇宙中94%左右为暗物质。

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暗物质长啥样儿呢?因暗物质尚未被直接探测到,所以只有间接证据:

1.星系旋转曲线与弥散速度分布,靠外围的天体绕星系中心旋转的运动速度应当比靠中心的天体更慢,这暗示着这些星系中存在着质量巨大的不可见的物质。

2.引力透镜效应。光线经过大质量星系团时会发生弯折,这与光学中的透镜原理类似。人们怀疑暗物质是构成这个引力透镜的“材料”。

3.通过对宇宙中微波背景辐射各向异性的精细观测,可以确定出宇宙中暗物质的总量。人们据此猜测宇宙总能量的26.8% 由暗物质贡献,构成天体和星际气体的常规物质只占4.9%,其余68.3%为推动宇宙加速膨胀的暗能量(请注意说法不一)。

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寻找暗物质的探测手段分为三类:

1.直接探测,探测暗物质粒子直接与探测器中的物质发生相互作用。

2.间接探测,寻找宇宙中暗物质自身衰变或湮灭产生普通物质的信号。

3.加速器探测,利用粒子对撞机来人为产生的暗物质粒子。

猜测的暗物质属性:

1暗物质参与引力相互作用,但单个暗物质粒子的质量大小还不能确定。

2.暗物质应是高度稳定的。

3.暗物质基本不参与电磁相互作用,也不参与强、弱相互作用,与光子的相互作用必须非常弱,以至于暗物质基本不发光。

4.暗物质的运动速度应该是远低于光速,即“冷暗物质”。

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按照量子力学的观点,暗物质的候选者有弱相互作用的有质量粒子(WIMP),包括:超中性子(neutralino)、Kaluza-Klein激发态粒子、T-odd粒子,还有惰性中微子(sterile neutrino)、轴子(axion)等。

好了,到了总结的时候。

按照现在的主流观点,宇宙主要由暗物质构成!咦~?别惊讶,事实就是这样,暗物质占宇宙总质量的85%~90%(说法不一),可见的物质只占很小一部分,所以结论是宇宙的主体是由“看不见的暗物质”构成。是不是感觉很讽刺?更让人奇怪的是,在宇宙中本应无处不在的物质(还有引力子、中微子等)人们上天入地却遍寻不得,哪里出错了呢?

现状非常奇怪,一方面又认为空间充满了无处不在的暗物质,这个逻辑自相矛盾。事实上,现在的主流物理理论都是粒子说的理论,换句话说,现在的主流理论都认为空间是空无一物的真空(至少,这些理论建立之初都认为空间是真空)。

问题是,暗物质就在那里,无论你信或不信,它都在那里,既不逃走也不躲避。

我们能否换个意路,有没有建立在非真空基础上的理论呢?当然有,这个理论就是现代科技依然依赖的经典物理学。

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1801年托马斯-杨的双缝干涉实验奠定了波动说在第二次波粒之争的胜利后,以太作为绝对参照系(绝对空间)存在,物质相对以太空间作绝对运动,电磁波是以太的横振动,经典电动力学就建立在以太的基础上。请注意,经典物理学的空间是三维绝对空间加一维独立的时间,即三一时空。绝对的空间(以太)、绝对的运动和绝对的时间构成经典物理学的逻辑基础。

1887年,迈克尔逊——莫雷实验是结果是垂直方向和水平方向的两束光的光速和传播方向没有变化,在意味着空间并非绝对静止。不过,在相对论提出之前,以太并没有因为这个实验而被抛弃,因为除了实验设计并不完善,重要的是,当时存在三种不同的以太假设,绝对静止的以太假设只是其中一种。

1.“以太曳引假说”,也称为“以太漂移假说”。以太作为绝对参照系存在。以太无所不在,没有质量,绝对静止,以太空间会与运动的星体产生相对运动,因此吗,理应在地球上测量到每秒30公里的“以太风”。

2.“以太部分曳引假说”。菲涅尔认为以太绝对静止,但是,当一个物体相对以太这个参照系运动时,其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动。

3.“以太完全曳引假说”。英国物理学家乔治·斯托克斯认为把以太分成不动(以太漂移假说)和可动(以太部分曳引假说)的两部分不如假设星体能够完全拖曳一部分以太,在物体表面附近的以太有一个速度逐渐减慢的区域,星体曳引周围的这部分以太一起运动,而距离星体更远空间中的以太则完全静止。即在地球表面,以太与地球具有相同的速度,即地球完全曳引这部分以太。只有在离开地球表面某一高度的地方,才可以认为以太是静止的。[爱因斯坦《狭义与广义相对论浅说》导读第17页]因此,在地球表面附近的以太空间与地球并无相对运动(请注意!)。

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问题来了,为什么现在的教科书上却是迈克尔逊——莫雷实验证伪了以太呢?

人性很有意思,人们总是相信自己愿意相信的,而不是相信事实。这就是证实性偏见。证实性偏见是指个人、包括学者在主观上支持某种观点的时候,往往倾向于寻找那些能够支持自己原来的观点的信息,而忽视那些对己不利或矛盾的信息,以支持自己想法的现象。例如:

1.迈克尔逊——莫雷实验是建立在斐索实验基础上的实验。1859年的斐索实验结果证明光速与空间介质的运动速度叠加或递减。因此,迈克尔逊——莫雷实验才会通过测量两束平行与垂直光的光速是否存在差值来判断地球表面与空间是否存在相对运动。如果光速不会与空间介质的运动速度叠加或递减,那么迈克尔逊——莫雷实验就不可能得出没有“以太风”的结论。但是,人们完全忽略了斐索实验的结论。原因是,如果承认了斐索实验的结论,即证明光速会与空间介质的运动速度叠加或递减,那么,就直接证伪了光速不变原理!!!所以,现在对斐索实验进行了模糊处理,只是说斐索实验验证了菲涅尔 “以太部分曳引假说”,结论里没有说明光速是否会与空间介质的运动速度叠加或递减,大多数人并不了解这个实验的结论是什么。

2.迈克尔逊——莫雷实验的实验地点在美国凯斯技术学院的地下室里进行,同学们是不是很惊讶?除非地球如同托马斯·杨所认为的那样是一种镂空结构,以太“就像风穿过小树林”一样穿过地球这种镂空结构到达地下室内,否则,实验就不可能在地下室里测量到“以太风”的存在,这和在一个密封的罐子里测量有没有风一样可笑。事实上,大多数人根本就不知道迈克尔逊——莫雷实验的实验地点在地下室里进行的,说不是刻意隐瞒真相,很难让人信服。

3.迈克尔逊莫—雷实验只能证伪“以太曳引假说”,而不能证伪菲涅尔的“以太部分曳引假说”,更不能证伪斯托克斯的“以太完全曳引假说”。但是,斯托克斯和他的“以太完全曳引假说”被人们遗忘了,仿佛“以太完全曳引假说”从未存在过。大多数相关书籍里只有“以太曳引假说”而没有“以太完全曳引假说”的存在。

暗物质是什么?暗物质到底在哪里?聊聊暗物质的前世今生

为什么有些人认为以太必须是错误的呢?

我们知道,粒子说和波动说争论了300多年,波动说的波必须要有振动的媒介,引力、电磁力、弱核力和强核力都需要空间媒介来传递。而粒子说的理论只能建立在空无一物的真空之上,因为任何惯性粒子在非真空空间中都会因为阻力而无法保持恒定速度。因此,粒子说和波动说争论的焦点是空间是空无一物的真空还是由物质的广延——以太构成,这关系到粒子说的理论(相对论和量子力学)和波动说的理论经典物理学谁是谁非的问题(现在还有建立在真空基础上的弦理论),也关系到两大门派的理论生死存亡的大问题。

经典物理学的经典电动力学理论建立在以太的基础上,电磁波是以太的横振动。目前人类所有的科技都建立在经典物理学的基础上,经典物理学对客观自然的解释已成为我们的科学常识。经典物理学的伽利略变换是物体相当于空间运动,而以太就是这个绝对空间。爱因斯坦认为空间是空无一物的真空,物体(惯性系)只与物体互为参照运动,而不与(绝对)空间相对运动,这就是所谓的洛伦兹变换,这个所谓的洛伦兹变换(事实上与洛伦兹无关,洛伦兹是以太空间的支持者)建立在真空基础上。如果空间由以太这种物质构成,相对运动只能是伽利略变换,而不是建立在真空基础上洛伦兹变换。因此,对粒子说的理论来说,空间必须空无一物,如果空间由任何物质构成,那么粒子说就无法自洽!建立在真空基础上的所有粒子说的理论都将分崩离析。

暗物质是什么?暗物质到底在哪里?聊聊暗物质的前世今生

常言道,有人的地方就有江湖,有江湖就会分门派,有门派,门派的利益就会高于公理。物理界也没能免俗。历史由胜利者书书写,随着狭义相对论和广义相对论被物理学界和普通民众所接受,特别是同样建立在空无一物真空基础上的量子力学的兴起,人们逐渐接受了真空的概念,粒子说逐渐占据了主导地位,于是,教科书上就变成了迈克尔逊——莫雷实验证伪了以太假说,而不是仅仅证伪了“以太曳引假说”,最接近真相的“以太完全曳引假说”被悄悄冷藏。

有意思的是,即使是“江湖大佬”爱因斯坦也翻不了盘。爱因斯坦1920年就开始对空间性质进行反思并提出的“广义相对论以太”,但是,这个“广义相对论以太”被整个物理界所抵制。虽然魔鬼是爱因斯坦自己放出来的,但是,从他推翻自己的观点提出“广义相对论以太”来看,爱因斯坦的骨子里还是有实事求是和追求真理的信念的,他的科学态度值得尊敬。可惜的是,他一个人的力量抵挡不住整个科学共同体的潮流。很多时候,门派的利益是高于一切的。因此,以太必须被抛弃,罪名“莫须有”。

真空说赢了吗?当然没有!因为粒子说的逻辑漏洞太多,就像一件破外套,已经破到无法遮羞的地步。

暗物质是什么?暗物质到底在哪里?聊聊暗物质的前世今生

我们知道,暗物质也是物质,是物质就会吸引别的物质和被别的物质吸引(“暗物质光晕”证明了暗物质会被大质量的星体引力吸引)。问题是,如果空间充满了暗物质,那么,星体的运动会与暗物质产生相对运动,我们理应在地球上测量到每秒30公里的“暗物质风”,为什么没有人去测量呢?如果按照迈克尔逊——莫雷实验的方法,实验同样会得出没有暗物质的结论。是不是很有趣儿?

如果空间由暗物质或其他任何物质构成,都会产生空间阻力,星体的运动速度会因为与暗物质产生摩擦作用而逐渐减慢!

如果空间并非是空无一物的真空,任何惯性粒子在这种空间中都会因为阻力而无法保持恒定速度,例如光子。粒子说与以太水火不容!粒子说与暗物质也同样水火不容!

暗物质是什么?暗物质到底在哪里?聊聊暗物质的前世今生

麻烦的是,越来越多的证据证明空间里存在某种物质而非是空无一物的真空,空间由物质构成对粒子说的理论来说就是灭顶之灾。怎样办呢?聪明人很多。很简单,就是永远不给充满空间的物质定性,没有定性的东西就没有确定的性质,虽然称之为暗物质,但是也没有几个人把它看作是真正的物质,这就回避了空间由物质(物质的广延)构成的事实。怎么样,聪明不聪明?就问你服不服。

事实上,除了迈克尔逊——莫雷实验可以证伪“以太曳引假说”以外,没有任何可验证的证据能够证明以太不存在。如果有其他的证据,请举例!!!但是,迈克尔逊——莫雷实验并不能证伪斯托克斯的“以太完全曳引假说”,更不能证伪以太。既然没有任何证据可以证伪以太,那么有什么理由抛弃以太呢?我们不应忘记奥卡姆剃刀原理:如非必要,勿增实体。对存在了几百年的以太视而不见,却又凭空创造出一种新的物质,这样只会使简单的事情变的复杂,只会使真相更加扑朔迷离。

暗物质是什么?暗物质到底在哪里?聊聊暗物质的前世今生

人性的弱点告诉我们,让人们承认错误是天底下最困难的事情。正如普朗克所说:“一个新的科学真理照例不能用说服对手,等他们表示意见说‘得益匪浅’这个办法来实行。恰恰相反,只能是等到对手们渐渐死亡,使得新的一代开始熟悉真理时才能贯彻。”这就是普朗克定律。暗物质的存在证明空间并非空无一物,暗物质的存在同样可以证明粒子说是一种错误的假设。掩耳盗铃的游戏只能在短时间达到内自欺欺人的目的,时间是谎言最大的敌人,逻辑是愚昧最大的敌人。我们应该追问量子为什么具有波粒二象性!量子什么时候是粒子、什么时候是波?解释了波粒二象性,也就解开了微观世界的秘密。

尤瓦尔·赫拉利指出:“尊重知识、听取学者意见很好,但发展到崇拜任何人的程度都很危险,包括崇拜学者。一个人一旦被推崇为先知或权威,他(她)自己都可能信以为真,进而变得骄傲自大,甚至陷入疯狂。对追随者而言,一旦他们信奉某人为权威,便会自我设限,停止努力,只期待着偶像来告诉他们全部问题的答案和解决方法。即使答案是错误的、方法是糟糕的,他们也会通盘接受。”智慧从怀疑开始,真正的科学精神是怀疑与批判。

暗物质是什么?暗物质到底在哪里?聊聊暗物质的前世今生

先贤们几千年积攒下来的思想成果滋养了我们的智慧,他们点亮了一个又一个灯塔,指引着人类的发展方向。没有人的观点全部正确,也没有人的观点一无是处。有些观点后来被事实证明是一个个错误,那也是他们在错误的地方树立起了一个个指引正确航道的航标灯。终极理论不会是一个全新的理论,它就藏在现有的理论之中,当我们以客观逻辑为工具,就能在错综复杂的观点中找出宇宙真实的脉络。

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