牛頓力學又要修正?為了解釋暗物質,科學家提出大膽假設

2021-01-11 網易

　　暗物質

　　1970年，當天文學家魯賓和福特在對仙女座大星系進行觀測的時候，發現了一個奇怪的現象。在對遠離星系核的恆星公轉速度進行計算的時候，發現最終數據和利用恆星和星系核心距離計算的結果並不相同。

　　我們知道，星系的核心處擁有著最為密集的恆星，因此質量也比較大，這裡的公轉速度應該會比較快。相比之下，遠處的恆星密度較低，所以越遠離星系核心的位置上，恆星公轉速度也應該越慢。

　　

　　但是，兩個人發現，在遠離核心的區域，恆星的公轉速度竟然保持著恆定的數據。即使兩顆恆星與核心的距離有很大的差別，它們的速度似乎也並沒有受到什麼影響。奇怪了，難道星系外圍還有我們沒有觀測到的質量存在？

　　他們很快就想起了1922年時天文學家卡普坦提出的理論：宇宙天體周圍可能隱藏著我們還看不見的物質，能夠提供引力作用。儘管卡普坦的理論當時已經提出了近50年，但這次對於仙女座大星系的觀測成為了這個理論最有力的證據。從此，科學家們知道了宇宙中隱藏著一種人類還無法探測的物質——暗物質。

　　

　　（圖片說明：理論上恆星與星系之間的距離和速度之間的關係A和實際觀測數據B的對比，差異非常明顯）

　　隨著我們對河外星系的觀測越來越多，暗物質存在的證據也越來越確鑿。根據現在的理論模型，暗物質佔據了宇宙總質量的85%，是可見物質的近6倍。

　　即便如此，由於它與可見物質幾乎沒有任何引力之外的相互作用，人類終究還是沒有實際觀測到暗物質的存在。因此，直到今天，還有人在質疑暗物質理論，並且提出新的想法，甚至有一些暗物質的堅定支持者都會忍不住思考有沒有其他可能的答案。

　　牛頓力學的局限

　　除了暗物質之外，也有科學家利用其他理論來解釋星系外圍恆星運動規律的現象，其中比較著名的就是修正的牛頓動力學。

　　

　　我們知道，自從牛頓力學建立之後，人類對於物體的運動模式就有了科學的理解。它不僅可以解釋我們生活中任何物體的運動規律，甚至連宇宙中的天體都要遵從它的法則。因此，直到今天，牛頓力學仍然被奉為圭臬，至少在除了天體運動之外的領域是這樣的。

　　直到1905年，偉大的愛因斯坦提出了相對論。他告訴我們：牛頓力學在地球上的確適用，但是在宇宙中，尤其是在大質量天體上或者是高速運動的條件下，牛頓力學就不適用了。愛因斯坦通過他的相對論，告訴我們在一些極端條件下，物體該遵從怎樣的運行規律。從某種角度上說，相對論就可以看作是對牛頓力學的一種修正。

　　不論是利用經典力學還是相對論，星系外圍恆星的運動規律都得不到有效的解釋。因此，有些科學家開始思考：是不是牛頓力學仍有需要修正的地方呢？

　　

　　修正的牛頓動力學

　　為了解釋星系外圍恆星的運動規律，有些科學家提出了修正的牛頓動力學（MoND）。他們認為：恆星運行規律和牛頓力學不匹配，我們未必就要把鍋全都甩給恆星或者星系，難道牛頓力學就牢不可破的嗎？一百多年前，愛因斯坦就指出了牛頓力學的局限，是否牛頓力學還有愛因斯坦都沒有發現的問題存在呢？

　　這也不是不可能的，我們也曾經介紹過，有的科學家為了解釋這個現象，甚至還提出了對廣義相對論的修正。在完全確定問題的答案之前，我們不可避免地要敢於嘗試並去證明各種可能的理論，最終才能找到真正的答案。

　　

　　那麼，科學家們這一次要如何修正牛頓動力學呢？

　　周圍星系的影響

　　以往科學家們利用暗物質模型來解釋這個現象的時候，都認為暗物質佔據了星系的許多質量，並且彌散在整個星系中，而不是集中在星系核心處。

　　而本次研究中所提出的MoND模型則假設來自於其他星系的引力作用會對星系外圍的恆星產生幹擾，改變其慣性質量，這就導致了它們比理論上的公轉速度要快得多。

　　

　　相信大家也看得出來，在這個理論中有一個重要的前提，那就是周圍星系的引力對這個星系旋轉曲線的幹擾。為此，提出這個理論的研究團隊利用斯皮策光度測量及精確旋轉曲線資料庫中的數據，對175個星系的旋轉曲線進行了分析，然後將這些旋轉曲線和星系周圍其他星系的分布情況進行了對比。

　　如果暗物質模型是正確的，那麼其他星系的存在與否應該都不會對這個星系的旋轉曲線產生影響；如果他們的MoND模型是正確的，那麼周圍星系的分布情況和旋轉曲線之間應該有非常明顯的相關性。

　　

　　令人驚愕的結果出現了：他們真的發現了二者之間有一些相關性。尤其是周圍星系影響最強的樣本中，這種影響的置信度達到了8-11西格瑪。而通常來說，當置信度達到5西格瑪的時候，實驗結果就算是得到確認了。因此，我們非常有理由相信二者之間是有直接關係的。而且，在周圍星系較弱的情況下，也的確沒有看到星系明顯的曲線效應。

　　令人震驚的結果

　　看到這個結果的時候，研究團隊也震驚了。他們介紹說，在一開始進行這個實驗的時候，他們甚至是抱著推翻這個猜想的心態來研究的，沒想到結果反而印證了這個猜想。

　　那麼，這是否證明暗物質理論是錯誤的呢？

　　

　　（圖片說明：旋轉曲線應該以0為中心，但實際情況並非如此）

　　並不是，本次研究也並不是全盤否認了暗物質的理論，或許二者的共同作用造成了我們看到的外圍恆星運行規律。

　　另外，暗物質理論也不僅僅能夠解釋這一個現象，它還是現在的星系形成模型中的重要環節。如果想要徹底推翻暗物質模型，那麼與它相關的所有理論恐怕都要崩塌。倒不是說科學家為了防止這個情況而不肯承認，但是我們必須要有足夠的證據來推翻所有這些理論才能否認暗物質。

　　

　　不管怎麼說，暗物質模型目前的地位仍然是比較牢固的。另一方面，此前經常被嗤之以鼻的MoND模型這一次終於取得了一次勝利。未來，可能會有更多科學家進行這方面的研究，這或許會導致新的天體物理學理論建立。

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