網友提問:暗物質會不會是平行宇宙的「引力陰影」?
物理學家:非常簡潔的回答:不能。或者…基本上確定不能。
暗物質是一種我們看不見也摸不到的物質,但是我們知道它的存在,因為它影響了我們能看到的普通物質的運動。儘管一個世紀前有模糊的證據顯示暗物質是一種物質,但直到20世紀70年代通過直接觀察星系中恆星的運動時才發現星系中存在太多物質才確認。真的是太多太多物質。
宇宙中的暗物質比普通物質要多得多,以至於其引力的影響或多或少決定了物質密集度(星系甚至星系團)最集中的地方最終會在哪裡
圖解:通過在數字模型中模擬暗物質,我們得到了符合宇宙中的物質最大規模分布情況,也就是和如今我們看到的的星系的發展一致。
弦理論的預測之一(可能)是我們的宇宙是一層「膜」,一個漂浮在被稱為「大塊頭」的更高維度空間中的時空「片」。其它的膜(其它宇宙)可能在附近漂浮,幾乎與我們的宇宙重疊,距離很近。膜上的所有原生粒子都附著其上,但粒子產生的引力可能不會。所以也許我們所感知到的暗物質其實只是來自另一個鄰近宇宙中物質的引力。這就解釋了為什麼我們看不到它,為什麼它不會撞到東西。
藝術家想像的膜理論模型。膜上的粒子(床單)存在於一個高維「體宇宙」時空(後院)中,而一張膜上的重力或許會影響其它膜上的物質。
這種想法的弊端就是它需要採取幾個步驟去證實,而這幾個步驟無法通過直接實驗去完成。 「塊」,其他「膜」甚至弦理論本身也只是一些有趣的想法,因為目前為止沒有哪一個理論預測是已被實驗所驗證的(目前)。
在探討「膜」理論前,我們對暗物質的了解有多少值得考慮。通過仔細計算恆星的數量,質量的分布,氣體和塵埃的數量(通過觀察塵埃如何過濾內部的星光),然後計算出所有的重力,我們可以計算出星系中的每一顆恆星應該以多快的速度運行。我們發現了兩件事:第一,存在比我們所能看到的要多很多倍的物質;第二,這種不可見的物質分布在每個大的星系周圍,就好像它從未被堆積增大過一樣。最後一點很重要。
圖解:大量的普通物質(橙色)會相互碰撞,導致它們減速併集中於一個地方。暗物質(灰色)不會相互碰撞,包括它們自己,所以它們仍會相互分離。
因為吸積太空中的物質傾向於聚集到一起或者平鋪成圓盤狀(或兩者都有),當物質有機會內部發生碰撞,在柔軟的無比巨大的塵埃雲中物質匯聚形成針尖(比如恆星或者行星)
圖解:天鷹星雲的一個角落裡形成了四根高度以光年計的創造之柱。這些氣體和塵埃極其分散,但通過吸積它們集中了很多。如果這些柱子每個都有佛羅裡達那麼大,那麼在它們內部形成的恆星大概有一個水果那麼大。
通過觀察恆星的軌道速度和它們與星系核心的距離,我們發現它們圍繞著一個物質盤和一個質量約為10倍的瀰漫雲(確切的比率因星系而異)。所以不管暗物質是什麼,它有很多而且不會碰到任何東西。
現在和20世紀70年代相比除了計算機能力、太空望遠鏡和髮型的逐漸變化,沒有什麼不同。隨著我們的望遠鏡和計算機在過去幾十年裡略有改進,我們不僅能夠確定暗物質的存在,而且還能夠確定暗物質的存在地點和存在的範圍。引力透鏡是指光通過質量非常大的物體時會發生彎曲。根據物體對的扭曲程度來確定物體的質量是非常困難的,但是在後pong時代的計算機中是很容易做到的
圖解:我們(相機),一個星系(橙色模糊的東西),和一個遙遠的星系(模糊的藍色環)排成一條直線。橙色星系的引力扭曲了它背後星系的圖像。
如果在同一個地方出現或多或少的暗物質和普通物質(他們通常會這樣),那麼很難確定是暗物質的存在影響了重力分布還是我們對重力機制理解錯誤。幸運的是,暗物質不僅是很重,而且相互作用也很弱;當巨大的普通物質團發生碰撞而它們相隨的暗物質團卻顯然沒有碰撞時,這種特性暴露了暗物質的存在。
子彈星團實際上是一對碰撞的星系團。當星系或星系團碰撞時,它們的恆星會彼此錯過(因為恆星與它們之間的距離相比是非常非常的小),但它們的巨大氣體雲卻能找到彼此。當這種情況發生時,他們會加熱(不僅僅是由於物理撞擊,而且也是由於他們彼此磁場電離的影響電離),直到他們發出X射線。閃爍的X射線使得這些撞擊非常明顯。所以你會認為當星系團相互碰撞時,中間應該有大量印氣體雲會互相碰撞而加熱的大塊物質。相反,絕大多數的質量以兩個大塊的形式穿過,我們只能看到他們碰撞中間看到一些加熱的氣體,。
圖解:子彈星團是一個37億光年遠的星系群(在圖中所有其他星系和恆星後面)。在這個(特殊處理)照片靠前的星系在可見光譜成像(實際上就是我們能看到的樣子),桃花色的兩個星團中碰撞的氣體雲發出的X射線,紫色是通過引力透鏡分析得到的質量密度分布圖。
這裡的重點是暗物質是實實在在的物質,而不是一個巨大的愚蠢的錯誤或誤算。你可以指出它在哪裡,說有多少,甚至談論它在做什麼。我們不能直接探測到它,因為它不接觸任何東西。事實證明,這並不完全奇怪。
不同的粒子通過不同的力相互作用。例如,質子通過四種基本力相互作用:強核力、弱核力、電磁力和重力。這種強力使質子和中子緊緊地擠在原子核裡。另一方面,電子之間除了強力之外的所有作用力都會相互作用,這就是為什麼它們會在原子核周圍而不是在原子核內部嗡嗡作響的原因。
中微子只通過微弱的引力相互作用。當你試圖穿過一堵牆卻失敗了,你是在通過電磁力相互作用。沒有電磁力,中微子可以自由地穿過任何東西。大約每秒有一萬億次中微子穿過你的身體,但是我們最好的、最大的中微子探測器一天只能探測到幾十個中微子(大部分來自太陽,而且這些探測器日夜工作,因為中微子並沒有真正注意到地球)。由於它們通過弱力相互作用(而且不是很好),中微子是「弱相互作用」的。
無論暗物質是什麼,它似乎使事情更進一步:僅通過引力相互作用。沒有強力就不會形成元素。沒有電磁力,它通過普通物質和自身。沒有弱力,我們就無法直接探測到它。但是如果有足夠的重力(似乎有),我們就能探測到它的重力。
現在,尋找暗物質有點像在你的房子裡布下陷阱,因為你的奶酪總是不見了,你能聽到牆壁上的嗖嗖聲。肯定有東西在那裡,你或多或少知道它在哪裡,它是什麼樣子的,但如果能確切地知道你在處理什麼就好了。
圖解:尋找暗物質:我們知道那裡有東西,我們只是想抓住它以確定。
所以,要真正回答那個很久以前的問題:暗物質可能是另一個宇宙(或膜或其他什麼)中流入我們的物質的重力嗎?可能不會。暗物質不與普通物質相互作用,這可能是因為它在不同的膜上。但即便如此,根據它是如何分布的我們知道它也不會和自己相互作用。因此,引入其他的宇宙並不能回答任何問題,它只是用未經驗證的想法把現有的問題攪亂。這就像用蜂蜜把口香糖從頭髮裡弄出來一樣;情況有所不同,甚至可能會引發思考,但並沒有更好。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3. askamathematician-The Physicist-河西沿
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