暗物质不存在?被忽视的“修正牛顿动力学”,或颠覆我们对宇宙认知!



暗物质不存在?被忽视的“修正牛顿动力学”,或颠覆我们对宇宙认知!

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暗物质不存在?被忽视的“修正牛顿动力学”,或颠覆我们对宇宙认知!

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如果暗物质不存在会怎样?当然 , 科学家们从未观察到它 , 但他们相信它的存在是由于明显的引力效应 。 但是 , 如果我们目前对引力的理解是完全错误的呢?
【暗物质不存在?被忽视的“修正牛顿动力学”,或颠覆我们对宇宙认知!】
这个问题在过去的几十年里一直被提出——修正的牛顿动力学(Modified Newtonian Dynamics, MOND理论) , 但MOND理论有一个太大的盲点 , 就是无法解释宇宙微波背景(CMB) , 即宇宙大爆炸的剩余辉光 , 也无解释星系在更大范围内发生的情况 , 因此理论自上世纪80年代提出后就一直被科学家忽视 。
然而 , 捷克科学院的理论物理学家康斯坦丁斯·斯科迪斯(Constantinos Skordis)和汤姆·兹沃什尼克(Tom Zonik)最近在《物理评论快报》杂志上发表了一篇论文 , 他们开发了一种新的相对论版MOND模型 , 可以解释为什么暗物质尚未被检测到 。 与之前提出的MOND理论不同 , 新模型可以匹配宇宙微波背景 (CMB) 的观测 , 这是以前类似 MOND的理论所缺乏的一个关键细节 。
暗物质的反对者 , 修正的牛顿动力学!
据估计 , 暗物质占宇宙总质量和能量的27% , 几乎是构成行星和恒星的“正常”物质的五倍 , 主导了星系、星系团和宇宙更大尺度结构的形成 。 而且正因暗物质的引力存在 , 才使得星系系统崩溃 。 因为恒星围绕星系中心运转的速度之快(整个银河系以每秒约210公里的速度旋转) , 不是星系可见物质所能束缚的 , 因此科学家相信着背后必然存在暗物质的巨大引力效应在支撑着 。
不过这里有个问题:暗物质很难直接观察到 , 行踪成谜、摸不清本质 。 到目前为止 , 试图弄清楚暗物质本质的努力都没有取得多大进展 。 对此 , 美国凯斯西储大学的天文学家斯泰西·麦高(Stacy McGaugh)怀疑:也许暗物质根本就不存在 。 于是他在上世纪80年代产生一个想法 , 修正牛顿动力学 。
但是亵渎“神”这件事 , 需要很大的勇气 , 而世界从来不缺乏这样的人 。 1983年 , 以色列魏茨曼科学研究所的理论物理学家莫尔德艾·米尔格龙(Mordehai Milgrom)提出MOND理论 , 在以没有暗物质的假设前提下 , 计算出与观测现象相符的星系盘上的自转曲线(rotation curve) 。 而这MOND的理论 , 将可以帮助我们从已知的星系自转速度的分布 , 与目前观测到星系的表面亮度的分布(surface brightness) , 去反推算出星系所在的距离 。
然而 , MOND理论存在一个较大的缺陷 , 也是不被科学家所接受的原因是:在更大尺度的宇宙方面 , 无法重现宇宙微波背景的数据 。 而且在细节方面 , 也无法解释星系的引力透镜问题 。
新模型补全理论 , 理论重回视野!
据我们所知 , 暗物质不相互作用:就像人类走过一个静止的房间几乎没有注意到我们周围的大气一样 , 暗物质似乎几乎从未接触过 , 甚至是微弱地接触它盘旋在周围的正常物质 。 它仅通过重力与我们的世界联系在一起 , 并且只会牵引其他也具有重力的事物 。
但在两位捷克科学家新提出的 MOND 理论表明 , 引力实际上是由三个场而不是两个场产生的——像希格斯场一样的标量场、像磁场一样的矢量场 。 研究人员设置参数表明 , 让宇宙早期的引力修正场能产生与暗物质类似的效应 , 这样就能保证今天观测到的CMB数据能被重现 。 标量场和矢量场在经过宇宙时间演化之后 , 引力最终变成了MOND理论所描述的那样 。
没有参与研究、哈佛大学天文学家勒布(Avi Loeb)表示 , 多年来 , 很难找到适用于银河系等星系的理论 , 并找到一种也适用于整个宇宙的理论 。 旧版MOND 理论的致命弱点是它只适用于星系 , 但我们知道 , 当我们观察宇宙微波背景或非常大尺度的星系分布时 , 我们知道暗物质存在的证据 , 但旧版MOND无法解释 。 现在的问题是 , 科学家是否能够区分暗物质粒子和这种改良的引力理论 , 从而得出暗物质发生了什么的结论 。 如果这种MOND理论是正确的 , 那将是一场“重大革命” 。
另外 , 科学家在寻找暗物质的几十年里 , 虽无突破性进展 , 但是理论上存在各种构成暗物质的候选粒子 , 比如最热门的大质量弱相互作用粒子(WIMP)、最有希望的暗物质候选人微中子(Neutrino , 已被探测到 , 但未确定与暗物质的关联)、为解决 CP 守恒问题而提出的轴子(axion)、打破粒子物理标准模型的惰性微中子(sterile neutrino)、结合广义相对论与超重力理论的重力微子(gravitino)等 。

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