为什么要假设有暗物质，而不是推翻物理学？ 第1页

引入暗物质的概念，是为了解释星系自转问题等表现出异常引力的观测事实，不同星系自转的情况有差异，有些需要的暗物质含量几乎为零，有些则异常多。暗物质也在大尺度结构形成过程的模拟中成功解释了星系团动力学，并正确地预测了引力透镜观测的结果。

在历史上，最早提出暗物质相关证据的是扬·亨德里克·奥尔特，在 1932 年他根据银河系恒星的运动提出银河系应该有更多的质量。

1933 年，弗里茨·兹威基在研究后发座星系团时，使用维里定理推断其内部有看不见的质量。

1959 年，Louise Volders 指出螺旋星系 M33 的转动不遵循开普勒定律^[1]。

到了 1970 年代，这情况扩展至许多其他的螺旋星系。

本来，人们觉得在螺旋星系盘面上的物质（例如恒星和气体）环绕星系中心核球旋转的轨道应该与太阳系的行星一样遵循牛顿力学，在足够远的距离上，天体的平均轨道速度应该依照质量分布递减，与轨道距离的平方根成反比。而观测事实是，中心核球外的轨道速度相对于距离几乎是个常数。

薇拉·鲁宾推测在远离星系中心的地方有不发光的庞大质量拉住星系外侧的物质，在 1980 年将结果发表为一篇有影响力的论文^[2]：

2006 年，美国天文学家利用钱德拉 X 射线望远镜对星系团 1E 0657-558 进行观测，无意间发现这个星系团是两个大星系团碰撞形成的，此撞击使暗物质与正常物质分开，成为暗物质存在的直接证据^[3]：

钱德拉望远镜利用 X 射线探测到的灼热气体在这张照片中显示为两个粉红色团块，包含了这两个星系团中大部分常规物质。蓝色则是其大部分质量所在的地方，这是由引力透镜效应显示的：来自遥远物体的光被质量引起的空间弯曲所扭曲，扭曲程度大大超过热气体造成的影响。而这部分质量并不发出可见光。

在碰撞过程中，热气体会发生相互作用而受到阻力，而不参与电磁相互作用的暗物质不会因撞击而减慢，造成暗物质与常规物质分离。

科学家们发现螺旋星系 NGC 4736 的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释，也就是说这个星系几乎没有暗物质。

与此同时，蜻蜓 44 等星系的暗物质含量达到了物质的 300 倍左右^[4]。“宇宙的固有性质”是不能一会有效一会无效的。这就说明暗物质不是“空间的固有性质”“距离产生的观测偏差”之类。

有这种问题，确实可能是因为懒：提问者既懒得了解相关理论，又懒得自己去学物理或物理史，甚至没搞清科学是怎么运作的，就开始大谈“推翻物理学”。

现代科学提供的是描述世界的模型，而不是“绝对真理”，模型只要求容易理解和使用、能比其它模型更好地解释现有观测事实、做出预言并被验证。对于一个时期的理论无法解释的事物，人们可以构造新的理论或修补旧的理论。现在构造出的所有理论都不能让人完全满意，还在修改过程之中，但这修改不是“推翻物理学”。

如果你觉得“未来的科学进步可能推翻现行的理论”，那么不要忘记对应原理：

任何新理论都必须在经过实验验证的旧理论的相同实验条件下给出与旧理论相同的答案。

• 例如，牛顿力学和相对论在宏观低速条件下给出相同的答案，在接近真空光速、完善 GPS 系统的精度、计算水星轨道之类情况下，相对论比牛顿力学更好地预测了实验结果。

地心说在套了许多层均轮之后可以描述行星的运行，那不是“解释”。日心说在刚提出的时候描述行星运行的准确度低于地心说，历经数百年才修正得更好。

• 日心说的真正优势是在同样精度下描述太阳系行星的运动时远比地心说简洁。
• 一旦要描述整个银河系的天体运行，日心说显然不如用银河系中心作为坐标原点。要描述更大尺度和更小尺度的天体运行，则不怎么适合用银河系中心当原点。

尝试“不用暗物质地解释相关观测证据”的学说很多，无论是拿电磁力搞一搞的等离子宇宙论，还是各种修正引力的理论，都不需要暗物质。但这跟“推翻物理学”南辕北辙，做的是“有可能给物理学添砖加瓦”的事。

要假定暗物质不存在，能接替的已知手段有：修改引力理论，建立完善的量子引力理论，将额外的引力场归结于量子真空，或者选择等离子宇宙论。
●等离子宇宙论假定宇宙中99%的物质是等离子态、电磁力在大尺度上压倒引力并决定星系的自转等现象。这是非标准宇宙论，在暴涨宇宙论的各种铁拳证据面前很难站得住。
●所有对引力动手的办法都是在牛顿和爱因斯坦的基础上修修补补来解释星系自转问题，但它们会带来更多的问题。
●量子引力是统一引力与量子力学的重要理论，但目前还没建立起来。

能称为“推翻物理学”而不是推翻哪个具体学说的东西，要推翻的玩意可太多了，暗物质算哪根葱，根本就排不上号。

题目谈到的“假设水星旁边有个暗星”早就有很多学者干过，假想的水内行星还曾被命名为“祝融星（法语：Vulcain；英语：Vulcan）”。你稍微翻翻相关的历史记载，或是哪怕去看看上世纪末的《飞碟探索》之类神神道道的杂志，上面都会有水内行星相关的学说。

科学的方法是“如果那个天体存在，那么它能引起这样、那样的现象”，然后去观测那现象，而不是“就是有个无法观测的物体在发挥作用”。海王星的发现就是范例。

• 祝融星最初由法国数学家勒威耶（Urbain Le Verrier）于 1859 年提出，他曾通过计算天王星受到的外力摄动而成功地预测了海王星，于是试图以同样的方法去解决水星近日点的进动。
• 观测没有找到预测的祝融星。
• 二十世纪初，爱因斯坦提出广义相对论，人们发现根据广义相对论计算出的水星进动与观测值吻合，天文学家对祝融星的兴趣急剧减退。
• 历次水星航天任务、太阳观测任务都没有找到祝融星或祝融型小行星（在水星轨道内的动态稳定区域围绕太阳运行的小行星）存在的任何痕迹。

暗物质跟“看不见的喷火龙”的区别很多：

• 狭义暗物质通过引力相互作用和弱相互作用对常规物质施加的影响可以被观测到。
• 狭义暗物质在宇宙中的分布不是均匀的，不同星系的狭义暗物质的量可以有很大的差异，星系合并时暗物质和常规物质的减速方式不同、会出现暗物质和常规物质分离的现象并影响引力透镜的状态，这已经得到观测数据的支持。
• 修改引力要用同一套方程解释各种状态的星系可就困难多了。
• 广义暗物质包括大量的常规物质和数量不定的黑洞。我们对褐矮星、流浪行星、距离稍远的行星、距离较远的恒星、星际尘埃等常规物质的观测能力很有限。
• 中微子作为热暗物质已经被观测到。目前的实验数据显示其不变质量不是零。

1998年，超级神冈探测器首次发现了中微子震荡的强烈证据，其观测到了 μ 子中微子转变为 τ 子中微子的现象，显示中微子具有质量。梶田隆章在该年的“中微子物理学·宇宙物理学国际会议”上发表该结果，以此研究获得 2015 年诺贝尔物理学奖。

中微子可以贯穿天体而只失去很少的能量，观测包括太阳在内的天体发射的中微子帮助我们加深对宇宙的认识。太阳中微子的数量和能量帮助科学家假定太阳内部发生的核反应的类型，质子-质子链反应和 CNO 循环对应的中微子都已经被人类观测到。

研究中微子震荡矩阵中的宇称破缺可能导向重要的新物理。

对中微子进行探测和研究的大型项目，例如江门地下中微子实验观测站和欧洲 KM3NeT，是目前较有希望的暗物质观测计划。中微子探测器极高的灵敏度和为排除宇宙线·本底辐射干扰而施加的厚重防护也适于探测意料之外的新发现，例如速子、额外次元、微黑洞、惰性中微子和其它暗物质粒子。对中微子振荡的研究本身就可能导向惰性中微子存在的证据。

中微子探测器也能用于天文观测。2018 年 7 月 12 日，冰立方中微子天文台宣布于 2017 年 9 月侦测到 1 颗来自 37 亿光年外的猎户座耀变体 TXS 0506+056 的中微子。这是人类第一次使用中微子探测器来定位太空中的物体。

计划中的精密冰立方中微子观测站升级将允许检测低能量中微子来尝试确定中微子质量等级、检测 τ 中微子、寻找大质量弱相互作用粒子湮灭。IceCube-Gen2 的远景规划也已经提出来了。

目前还没有探测宇宙中微子背景辐射的方案，这也是今后可能的方向。

在中微子之外，目前人类不知道不参与电磁相互作用的暗物质到底是什么粒子，大质量弱相互作用粒子、轴子等假说还未证实，而且由观测事实可以推出这些东西即使存在，在银河盘内的含量也颇为低下（其主体在银河系的暗物质晕里，距离银河系中心数十万光年）。

暗物质跟以太的区别就更多了：

• “以太”本来是亚里士多德设想的第五元素。他为世界建立的模型十分粗糙、缺乏预测力，早在近代物理学诞生前就没什么人用了。
• 十九世纪，一些学者将以太的名字拿来指代电磁波的传播媒质。
• 实验表明，不需要假设有这种以太的存在，就能得到更简洁、更有预测力的解释。
• 所以，现在也不再需要这种以太。
• 现在是假定有暗物质的假说能得到更简洁、更有预测力的解释。

如果有谁真心觉得这些是一样的，那么此人基本就告别自行车了。

参考

1. ^ http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?bibcode=1959BAN
2. ^ https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1980ApJ...238..471R
3. ^ https://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657/
4. ^ 2016年的观测数据认为有一万倍，2020年的最新数据是300倍左右 http://dx.doi.org/10.1093/mnras/staa3016