物理世界（十九）

刘文旺

经典物理学部分（四）

上世纪30年代初，瑞士天文学家扎维奇发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，99%以上的不发光质量是看不见的。但这一发现没有引起人们的足够注意。

到20世纪70年代，科学家们根据对许多大型天体之间，如星系之间的引力效果的观测越来越多地发现，发光的天体拥有的质量不能产生足够的引力来维持天体系统的运行。

一句话，在星系、尤其是在星系团中，发光的天体的质量不足以维持这些天体的高速运动，需要有一些不发光的物质存在，这些不发光的物质为这些发光的天体的运动提供引力。

于是，人们假设在宇宙中存在一种不发光的物质——暗物质，他的存在使星系中的天体或星系团中的星系的运动成为可能。

暗物质是假想出来的物质，现有理论认为，它是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，尤其是不参与和电子、光子的相互作用，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的主要组成部分。暗物质的密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，占宇宙中物质总量的26%。这是一个很大的数字，我们人类见得到的天体——发光的恒星、星系、星系团的质量只占宇宙总物质量的约4.9%。

     完全相反地，宇宙中还存在一种，同样看不到但能影响天体运动的物质。

     我们看如下的观测事实。

天体物理学家一般认为，天体之间的引力会使得宇宙的膨胀速度逐渐减缓。但是，1997年12月，作为“大红移超新星搜索小组”成员的哈佛大学天文学家罗伯特·基尔希纳根据对Ia型超新星———种罕见的恒星爆炸现象的观测发现，这些超新星发出的光度小于应有的数值。

我们知道，Ia型超新星具有稳定的发光强度，因此，它也是用来测量天体距离的标准烛光。结果发现，在距离我们一定远的区域，宇宙膨胀速不但没有在自身重力下变慢，反而在加速膨胀。人们大惑不解。

暗能量这个名词是由迈克·透纳引进的

此外，美国航天局的威尔金森微波仪探测卫星收集到的材料也证明，这类超新星确实在加速远离我们。这些变化的含义的确令科学家忐忑不安，因为这将预示着爱因斯坦、霍金等理论家可能都错了，影响并决定整个宇宙演化的力量，不是存在于普通发光天体的引力和重力等已知作用力，而是不发光的“暗能量”和“暗物质”。这是一种具有颠覆性的发现。即将引起“划时代”的变化。

    对这些天文观测的解释体现了现代科学理论的局限性，也显示了现有科学界的无奈。尤其是对暗能量的解释。

     在上个世纪，经典物理学的力、热、光、电等基本建立完善，因此，在一次科学家聚餐会上，开尔文勋爵概括了已有的成功后，淡淡地说，在晴朗的物理天空中，还有两朵乌云：一是迈克尔逊-莫雷实验发现的，光速运动与地球自转的无关性，这违背经典意义下的速度叠加原理；另一个则是黑体热辐射的紫外灾难——相应的公式表明，在高能量区辐射的能量是发散的。

     后来，在此基础上诞生了相对论和量子力学。

     这两个理论从诞生之日起，就存在不可调和的矛盾。产生了爱因斯坦和以波尔为首的根本哈根学派之间的争论，在这一过程中，总是由爱因斯坦不断提出疑问，然后引起争论。这种争论直到今天还在继续。代表人物就是霍金和彭罗斯之间的辩论。在这场旷日持久的争论中，逐渐暴露了两个理论的缺陷。谁是谁非渐趋明朗。

     爱因斯坦是量子力学奠基人之一，他为什么说量子力学是不完备的那？实际上，在量子力学中存在一种被称为量子纠缠的现象，这里体现出了超距作用的存在。在这一过程中相互作用以超光速传播，而在爱因斯坦的理论中超光速是不允许的。若存在量子纠缠现象，狭义相对论以及广义相对论就是错误的了。

     当然，最近问题有了结果。量子纠缠现象已经被证明。根据量子纠缠现象建立起来的卫星通讯已经在中国展开。因此，超光速是存在的。这说明什么？

与超光速运动不相容的相对论错了。

   但是，现代人仍然在爱因为斯坦的思维范围内，理解自然、解释自然现象。

当发现宇宙的加速扩张后，有科学家又把爱因斯坦的广义相对论找了出来，说爱因斯坦相对论中的宇宙项早就预示了暗能量的存在。

并认为，宇宙在不断膨胀着的观测结果完全与引入“宇宙常数”有关。其实，当年为什么要在其引力方程中引入常数项哪？

这是因为，在爱因斯坦的头脑中，相信宇宙的稳恒态模型，宇宙中若只有引力没有斥力，宇宙就会坍塌，所以引入了宇宙项。也就是说，宇宙项就是为了平衡我们熟知的万有引力的。现在万有引力仍然存在，因此，加速膨胀则需要其他原因加以解释。而且，据说爱因斯坦得知“实际上的宇宙是在膨胀着的”这个消息后非常后悔，因此他认为：“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误！”

     实际上，爱因斯坦给出宇宙项的物质基础了吗？什么物质产生了宇宙项所描述的斥力？

     我认为他犯的错误不止这些，相关内容可见本人的博客“大兴刘文旺的博客”。

     爱因斯坦的错误更在于他对我们现代人思维的影响。科学研究需要积极的发散思维、强烈的质疑精神。现代物理学之父伽利略被他的老师评价为，连自己的母亲都敢踢两脚的小马驹。

现代人就是缺少这种质疑精神。

宇宙项的引入是不是爱因斯坦的错误，这不重要。重要的是我们至今还在从爱因斯坦的理论中寻找答案。

在中国有一个刻舟求剑的故事。说的是有一个楚国人在船上渡河，不小心他的宝剑从船上落入水中，他急忙掏出小刀子在船上刻了一个记号说，这是我的宝剑落水的地方。傍边的人劝他说，快下水找你的宝剑吧，不然，船越走越远就找不到了。那个人信心满满地说：我做好了记号，等船停下后我从这记号处下去就可以找到我的宝剑。

     结果它丢失了自己心爱的宝剑。

刻舟求剑

爱因斯坦的理论和思维，强烈地误导了我们。成为科学进步的绊脚石。只要一有问题就会想起爱因斯坦的理论。

现代的科学家都成了医生，爱因斯坦的相对论成了中药中的人参，不管什么病先用2斤再说。

真是无奈！

     在粒子物理中，存在宇称不守恒等现象。人们找不到原因，于是真空成了冤大头，认为由于真空的作用，出现了自发破缺现象。这种思维也被搬到了天体物理中。

有科学家认为，暗能量在宇宙中更像是一种背景和一种“超导体”，因此也有人把“暗能量”称之为“真空能”。真空是不是就是“暗能量”？“暗能量”是不是就是“真空能”呢？如果真空真是“暗能量”那么就应该具备一切能量的基本属性和基本特征——力的作用。

从这里的分析可以看出，矛盾的焦点都集中在真空是否具备力的属性这个问题上，如果这种假说被证明，那么“真空力”就成为独立于万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力之后在自然界中普遍存在着的第五种自然作用力即“第五种力”。

     关于独立于现有的四种相互作用力的存在，我们可以在报刊、杂志上找到它们的身影。真的存在这第五种力的作用吗？这一问题已经存在多年了，存在种种的实验事实和种种不同的解释。但最终都以失败结束。也许这第五种力根本没就不存在。这不仅仅需要新的探索工具，可能需要更多的智慧。

     现代的物理学被不断涌现出的天文新发现逼疯了，尽管提出了不少模型，但就是不能给出满意的结果。这有点像十九世纪末二十世纪初存在的形式。当时的黑体辐射的紫外灾难和迈克尔逊-莫雷的实验给出的光速不变现象。困扰了当时的物理学家们。最后，对这些问题的解决诞生了近代物理学的两大支柱——量子力学和相对论。我希望，暗物质与暗能量这两朵新的乌云能及早得到解决，也许，对这两个问题的解决能诞生什么新的理论。到那是，新的光环就会落在那些勇于攀登的人的身上。人类的进步史、特别是物理学的发展史就不止一次地证明了这一点。

     愿牛顿的思想赐给我们更多智慧的光环。

     让我们的科学家们，继承前辈的思想方法，结合现有的科技成果，努力探索及早解决这两朵乌云——暗物质暗能量吧。

（未完待续）