暗物质研究:物理学领域会迎来一场革命吗?

2022年9月15日08:09:40暗物质研究:物理学领域会迎来一场革命吗?已关闭评论


    什么是暗物质?它从未被观测到,但科学家估计它占宇宙中物质的85%。简短的回答是,没有人知道暗物质是什么。一个多世纪前,开尔文勋爵将其作为我们银河系中恒星速度的一种解释。几十年后,瑞典天文学家Knut Lundmark指出,宇宙肯定包含比我们能观察到的更多的物质。自20世纪60年代和70年代以来,科学家们一直试图利用越来越复杂的技术来弄清这种神秘的物质是什么。然而,越来越多的物理学家怀疑,答案可能是根本不存在暗物质这回事。
    暗物质研究:物理学领域会迎来一场革命吗?
    科学家们可以通过多种方式观察远处的物质。像著名的哈勃望远镜这样的设备可以测量可见光,而其他技术,如射电望远镜,可以测量非可见现象。科学家们经常花数年时间收集数据,然后进行分析,以使他们所看到的东西最合理。
    随着越来越多的数据进来,变得非常清楚的是,星系的行为并不像预期的那样。一些星系外缘的恒星移动得太快了。星系是由引力固定在一起的,而引力在大部分质量所在的中心是最强的。盘状星系外缘的恒星移动得如此之快,以至于那里的可观测物质所产生的引力无法阻止它们飞向深空。
    科学家们认为,这些星系中存在的物质一定比他们目前能观察到的多。一定有什么东西在阻止恒星飞走,他们把这种东西称为暗物质。除了它必须具有引力,而且必须有相当多的暗物质之外,他们无法真正说出它可能具有的特性。事实上,科学家们认为,宇宙的绝大部分(高达85%)必须是暗物质。否则,星系就不能像它们看起来那样长久地存在下去。它们会解体,因为不会有足够的引力来保持数万亿颗恒星的位置。
    当涉及到科学时,你无法观察到的东西的问题是很难对它说太多。因为暗物质不与电磁力相互作用--电磁力负责可见光、无线电波和X射线--科学家们所有的证据都是间接的。科学家们一直在试图找出观察暗物质的方法,并根据它的理论进行预测,但没有取得多大成功。
    一个可能的解决方案
    牛顿的万有引力理论相当好地解释了大多数大规模事件。然而,该理论并非万无一失。例如,爱因斯坦的广义和狭义相对论,解释了牛顿理论无法解释的数据。科学家们仍然使用牛顿的理论,因为它在绝大多数情况下都是有效的,并且有更简单的方程式。
    暗物质被提出来作为调和牛顿物理学与数据的一种方式。但是,如果不是调和,而是需要一个修正的理论呢。一位名叫Mordehai Milgrom的以色列物理学家在1982年提出了一种重力理论(称为修正的牛顿动力学或简称"Mond"),假定当重力变得非常弱时,例如在盘状星系的边缘,重力的功能是不同的。
    他的理论并不简单地解释星系的行为;它预测了这些行为。理论的问题在于,它们可以解释任何事情。如果你走进一个房间,看到灯亮着,你可以提出一个理论,认为来自太阳的宇宙射线以恰到好处的方式击中了隐藏的镜子,照亮了房间。另一个理论可能是有人按动了电灯开关。区分好的理论和坏的理论的一个方法是看哪种理论能做出更好的预测。
    最近对Mond的分析显示,它的预测明显好于标准暗物质模型。这意味着,虽然暗物质可以很好地解释星系的行为,但它没有什么预测能力,至少在这方面是一个不好的理论。
    只有更多的数据和辩论才能够解决暗物质和Mond的问题。然而,Mond被接受为最好的解释将打破几十年来的科学共识,并使宇宙的一个更神秘的特征变得更加正常。