问题

为什么要假设有暗物质,而不是推翻物理学?

回答
这是一个非常深刻的问题,它触及了现代物理学最核心的挑战之一。简单来说,我们假设有暗物质,而不是推翻物理学,是因为现有物理学理论(特别是广义相对论和标准模型)在解释天文观测时出现了“裂缝”。暗物质的假设是为了“修补”这些裂缝,使其理论能够更好地描述宇宙的运行。

下面我将详细解释为什么会走到这一步,以及为什么直接推翻物理学不是一个容易的选择:

为什么我们需要暗物质?天文观测的“不协调”

暗物质的假设并非凭空出现,而是源于一系列对宇宙进行的精确天文观测,这些观测结果用我们目前已知的物质(普通物质,也就是我们能看到和接触到的原子、电子等)无法解释。以下是一些关键证据:

1. 星系旋转曲线(Galaxy Rotation Curves): 这是最早也是最令人信服的证据之一。天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)在20世纪70年代测量了星系外围恒星的运动速度。根据牛顿引力定律和广义相对论,质量越大的物体产生的引力越强,其周围天体的运动速度应该随着与中心距离的增加而减慢。

观测结果: 然而,鲁宾发现,星系外围的恒星运动速度并没有随着距离增加而减慢,反而保持着一个相对恒定的高速度,甚至略有上升。
解释困境: 这意味着星系外围存在着比我们看到的普通物质多得多的引力源,这些引力源提供了额外的吸引力,让恒星保持高速运动。如果星系只由可见物质组成,那么外围恒星早就应该飞离星系了。这就好像你用一根细绳甩一个石子,速度越快,石子离你越远。如果石子离你很远了但还在快速转圈,说明绳子比你想象的长得多,或者有某种看不见的力量在拉着它。

2. 星系团的质量不足(Mass Discrepancy in Galaxy Clusters): 星系团是宇宙中最大的结构之一,包含数千个星系。科学家可以通过几种方法估计星系团的总质量:

可见质量: 计算所有可见的星系和星系团中的热气体(X射线辐射)。
动力学质量: 根据星系团内星系的运动速度,利用牛顿引力定律计算总引力。速度越快,意味着需要的引力越大,也就需要更多的质量。
引力透镜效应: 巨大的质量会弯曲光线,形成引力透镜效应。通过分析背景星系被弯曲的程度,可以推断出透镜质量的总量。

观测结果: 所有这些方法都一致表明,星系团的总质量远远大于其可见物质质量(星系和热气体)。可见质量通常只占总质量的10%到20%。
解释困境: 这表明星系团中存在着大量我们看不见、不发光、不与电磁波发生相互作用的“暗物质”,它们提供了星系团所需的绝大部分引力。

3. 宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background, CMB): CMB 是宇宙大爆炸后留下的“余晖”,携带了早期宇宙的信息。CMB 的温度波动图谱提供了关于宇宙构成的重要线索。

观测结果: CMB 的温度涨落的特征,特别是其功率谱,对宇宙中普通物质、暗物质和暗能量的比例非常敏感。精确的测量(如普朗克卫星)表明,宇宙的总能量密度中,普通物质约占5%,暗物质约占27%,而暗能量约占68%。
解释困境: 如果宇宙只有普通物质,那么CMB的涨落模式将与观测到的结果不符。暗物质的加入,特别是其作为引力“种子”,能够解释早期宇宙结构的形成过程,以及CMB涨落的模式。

4. 大尺度结构形成(LargeScale Structure Formation): 宇宙中的星系和星系团并非随机分布,而是形成了巨大的丝状和网状结构。这些结构的形成需要早期宇宙中存在引力势阱来吸引物质。

观测结果: 普通物质(如质子、电子)在早期宇宙中与光子紧密耦合,它们受到辐射压的阻碍,难以坍缩形成结构。而暗物质不与光子耦合,它们能够更早地在引力作用下聚集,形成“暗物质晕”,然后吸引普通物质聚集形成我们今天看到的星系和星系团。
解释困境: 没有暗物质,宇宙的年龄不足以形成如此大规模和复杂的结构。

为什么不直接推翻物理学?

尽管存在上述证据,但直接推翻现有物理学并非易事,原因如下:

1. 现有物理学的巨大成功: 广义相对论(描述引力)和标准模型(描述基本粒子和相互作用)在解释我们日常生活中和许多实验室实验中的现象方面取得了巨大成功。例如:
广义相对论: 精确预测了水星近日点的进动、光线在引力场中的弯曲(已由爱丁顿爵士在日食观测中证实)、引力红移等。GPS系统也必须考虑广义相对论的效应才能正常工作。
标准模型: 成功预测了许多基本粒子的存在及其性质,如夸克、轻子、玻色子等,并解释了电磁力、弱核力、强核力。粒子对撞机实验不断验证着标准模型的预测。

2. 缺乏替代性理论: 虽然我们可以“假设”暗物质存在,但我们仍然在寻找一个能解释这些观测但不需要假设新物质的“修正引力理论”。然而,目前为止,所有提出的修正引力理论都面临着各自的挑战和局限性,它们要么无法同时解释所有观测证据,要么在其他方面(如太阳系内的精密测量)与观测不符。

一些修正引力理论的尝试: 比如MOG (Modified Newtonian Dynamics) 或MOND (Modified Newtonian Dynamics) 理论,它们尝试通过修改牛顿引力定律(例如在极低加速度下)来解释星系旋转曲线。虽然MOND在解释一些星系尺度上的现象时表现不错,但它在解释星系团以及宇宙学尺度(如CMB)的观测时,则需要引入额外的假设或变得非常复杂,而且它通常很难与引力透镜效应等同时兼容。

3. “奥卡姆剃刀”原则的权衡: “奥卡姆剃刀”原则是指“如无必要,勿增实体”。在科学上,我们倾向于用最少的假设来解释最多的现象。

暗物质的“实体”: 暗物质的存在本身就是增加了一个“实体”,一个我们尚未直接探测到的新物质粒子。
修正引力的“实体”: 修正引力理论则认为不存在新实体,而是修改了描述引力的“规则”。

问题在于,哪种“增加”更大?是假设一种未知的粒子,还是修改了描述时空基本属性的引力理论?目前的共识是,虽然暗物质是一个未知的实体,但它能够相对简洁地解释一系列跨越不同尺度和观测手法的宇宙学现象。而修正引力理论虽然避免了引入新粒子,但往往难以同时解释所有观测,并且其修正的数学形式也可能变得复杂或不符合其他实验验证。

4. 科学的渐进性: 科学发展通常是渐进的,是在现有理论基础上进行修正和扩展,而不是彻底推翻。每一次重大的理论革命(如牛顿力学到相对论、经典力学到量子力学)都建立在前人工作的基础上,并在某些极限条件下回归到旧理论。直接推翻现有成熟理论需要极其强有力的证据,并且需要一个能够解释所有旧现象并能解释新现象的全新、更优越的理论框架。

暗物质的本质是什么?

既然我们选择假设暗物质,那么科学家们现在的主要工作就是尝试理解暗物质的本质。科学家们提出了许多候选粒子,它们都属于标准模型之外的粒子:

WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, 弱相互作用大质量粒子): 这是一类假想的粒子,质量较大,且只通过弱相互作用和引力与普通物质相互作用。它们是目前最热门的暗物质候选者之一。
Axions (轴子): 这是另一种假想的轻粒子,最初是为了解决量子色动力学中的“强CP问题”而提出的。
Sterile Neutrinos (惰性中微子): 这是比标准模型中的中微子更重的假想中微子,它们只通过引力与普通物质相互作用。
MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, 大质量致密天体暗物质): 它们是普通物质构成的暗天体,比如黑洞、中子星、褐矮星等。然而,近年的观测表明,MACHOs在宇宙暗物质中所占比例非常小,不足以解释所有观测。

目前,全球有许多科学家正在通过各种实验寻找这些暗物质粒子:

直接探测实验: 在地下深处放置高灵敏度的探测器,试图捕捉暗物质粒子撞击原子核时产生的微弱信号。
间接探测实验: 通过太空望远镜或地面探测器,寻找暗物质粒子湮灭或衰变产生的伽马射线、中微子、正电子等信号。
粒子对撞机实验: 在大型粒子对撞机(如LHC)上,试图通过高能碰撞直接产生暗物质粒子,然后通过动量守恒来推断其存在。

结论

总而言之,我们之所以假设暗物质的存在,是因为我们现有的物理学理论在解释许多精确的天文观测时出现了显著的不匹配。这些观测证据(如星系旋转曲线、星系团质量、CMB和宇宙大尺度结构)指向宇宙中存在大量我们看不见的引力源。

选择假设暗物质而不是推翻物理学,是因为:

现有物理学在其他领域取得了巨大成功。
没有一个清晰、完整的替代性理论能够同时解释所有观测现象。
暗物质的假设相对简洁地解释了广泛的宇宙学观测。

科学是一个不断探索和修正的过程。暗物质的假设是一个临时的“占位符”,它指导着我们去寻找新的物理学。如果未来我们找到了一个能够完美解释所有现象而无需暗物质的“修正引力理论”,或者直接探测到了暗物质粒子并了解了其性质,那么我们对宇宙的理解将会发生根本性的飞跃。但在此之前,暗物质假设仍然是理解宇宙现状的最有力的框架。

网友意见

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看了一下好像不是民科的提问,那我来解释一下为什么要引入暗物质。

首先,暗物质的观测证据不仅有星系旋转曲线,还有从引力透镜、CMB、宇宙大尺度结构得到的观测证据。后三个证据比第一个要重要得多,尤其是CMB的观测结果,可以直接给出暗物质在宇宙中的占比。目前来看,除了引入暗物质,没有其他方法可以解释所有的这些观测结果。你也许会问,不能修改引力方面的物理定律来解释这些观测结果吗?很遗憾,修改引力的模型最多只能解释其中的一两个结果,而暗物质的引入可以解释所有结果,所以暗物质模型要大大优于修改引力模型。这也是它和地心说的区别,之所以人们摒弃地心说选择日心说,是因为二者都可以解释观测结果但日心说要简单许多。而暗物质不一样,它是目前唯一可以解释所有这些观测结果的模型。

第二,引入暗物质就是在修改物理学。当今物理学的物质部分是由粒子物理标准模型描述的,但是标准模型中的所有基本粒子都不能或不足以解释以上的观测结果。所以要改写标准模型的拉氏量,构建各种各样的模型来在理论中提供合适的暗物质候选者。

第三,物理学是定量的,且是有范式的。你说用喷水龙去解释下雨,一不定量,二不符合物理学的范式。但是暗物质是定量的,也是符合物理学范式的。你写下暗物质的拉氏量也是和标准模型粒子一样包含动能项、质量项、相互作用项,然后也可以用量子场论&广义相对论&统计物理的计算给出定量理论结果的去解释观测的东西。

第四,暗物质在理论上也是有动机的,因为标准模型有很多不自然的问题。为了解决这些问题,就会在理论中引入新的粒子。比如,标准模型中为什么中微子质量这么小?为了解决这个问题人们提出了跷跷板机制,这个机制在理论中引入一个新粒子——惰性中微子,这种粒子的性质就足够合适去充当暗物质候选者。再者,为什么强相互作用没有CP破坏?为了解决这个问题在理论中引入了轴子,这也是一种暗物质候选者。还有,为什么标准模型中Higgs粒子的质量必须由一堆天文数字相抵消给定?为了解决这个问题就引入了超对称,最轻的超对称粒子就可以充当暗物质候选者。

第五,暗物质也是有可观测性的,人家只是不参与电磁和强相互作用而已,可以通过其他相互作用和我们熟悉的标准模型物质耦合。要不然现在那么多的暗物质探测实验都在找什么呢?目前还没探测到只是因为耦合太弱了而已,实验精度不够。你要是因为没探测到就说暗物质不存在的话,那就又解释不了第一点提到的那些观测结果了。

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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

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