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困扰人类100年的“暗物质”只是个幻觉?

 更新时间:2020-07-01 08:47

  什么是暗物质,根据当今宇宙学的观点,宇宙中的大部分物质是暗物质。但这种物质与我们日常体验到的物质十分不同。太阳是太阳系内质量最大的物体,它是由普通物质构成的(质子、中子和电子)。行星、气体、尘埃、等离子体和恒星残骸也都是普通物质。

困扰人类100年的“暗物质”只是个幻觉?

  但暗物质并不是这些东西,构成暗物质的粒子甚至都不包含在所谓的标准模型内。

  后发座星系团。对这个星系团的观测结果首次向人们表明暗物质的存在。Adam Block / 莱蒙山天空中心 / 亚利桑那大学

  要解释我们在宇宙中观察到的引力现象,暗物质其实并不是唯一方案。还有人试图通过修改引力理论来达到相同的目的。最著名的莫若“牛顿引力动力学修正(MOdified Newtonian Dynamics,MOND)”及其衍生观点了,它们是最为流行的暗物质替代方案。

  要理解这些观点,我们必须先回到1800年代,回到“质量丢失”之谜出现之前。那时存在着另一个谜团——天王星和水星之谜。

  1600年代以后,牛顿的引力定律在解释世间万物方面取得了空前成功。无论是抛掷物的轨迹还是物体的滚动;无论是物体的重量还是摆钟的走动;无论是船的浮力还是月球的轨道——牛顿的引力学说无往而不胜。

困扰人类100年的“暗物质”只是个幻觉?

  开普勒的三大定律,是牛顿引力方程的一种特例。把它应用到所有已知行星身上都同样有效:

  1.行星都沿各自椭圆轨道环绕太阳,而太阳处在椭圆的一个焦点中;

  2.相等时间内,太阳和运动行星连线扫过的面积相等;

  3.行星公转周期的平方和它们椭圆轨道半长轴的立方成正比。

  所有已知行星都严格地遵守着这些定律,几百年来毫无偏差。但1781年发现的天王星成了一个例外。这个新发现的行星在椭圆形轨道上围绕太阳运行时,其运行的速度与引力定律的预测相比似乎出错了。

  天王星在其被发现后的首个20年内跑得过快。虽然在随后的20至25年内,速度与预测相符,但接下去天王星就又越跑越慢,根本达不到预测的数值。

困扰人类100年的“暗物质”只是个幻觉?

  相同时间内,海王星(蓝色)、天王星(黄色)、木星和土星(青色)的运动连线。

  是引力定律错了吗?可能。但更简单的解释是有我们没有发现的物质——某种“暗”物质——在影响着天王星,使其轨道发生偏移。结果证明的确如此。Urbain Le Verrier和John Couch Adams两位学者对这颗新行星作出了各自的预测,他们之间还爆发了论战。然后,Johann Galle和他的助手Heinrich d’Arrest,于1846年9月23日证实了Le Verrier的预测。海王星被发现了。它是首个通过引力影响推算出来的天体。

  而在另一边,是太阳系最内侧的行星——水星。积累了几个世纪的数据提升了天文学家的观测精度,人们从中发现,这个行星的轨道不但也违反了引力定律,而且更为奇怪。根据开普勒定律,行星的轨道都是完美的椭圆,太阳则位于其中一个焦点。但由于其它天体的干扰和影响,这个椭圆实际上并不完美,而是会发生进动。

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