为什么科学家们不考虑暗物质可能来源于真空？
这个问题很有意思，也触及了当前宇宙学和粒子物理学研究中最核心的未解之谜之一。科学家们并非完全“不考虑”暗物质可能与真空有关，而是说目前主流的解释模型和最有效的探索路径，并不将真空视为暗物质的直接来源。这里面有很多深层的原因，我们可以从几个方面来梳理：
1. 暗物质的核心特征与真空的“常规”理解之间的差异：
首先，我们对暗物质的认知主要来自于其引力效应。我们看到星系旋转速度比可见物质预期的要快，星系团内部物质的运动速度异常，以及宇宙微波背景辐射的图案等等，都指向了大量我们看不见的、不与电磁波发生作用的物质。这些“暗物质”表现出以下几个关键特征：
非重子性 (Nonbaryonic)： 暗物质不是构成我们熟悉的原子（由质子和中子组成）的重子。如果是重子暗物质，它在早期宇宙的核合成过程中会留下痕迹，但我们观测到的轻元素丰度与重子暗物质的预测不符。
冷 (Cold)： 指的是暗物质粒子在早期宇宙中运动速度相对较慢，这对于形成今天我们看到的宇宙大尺度结构（例如星系和星系团）至关重要。如果暗物质是“热的”（速度快），它会倾向于均匀分布，难以形成这些结构。
弱相互作用 (Weakly interacting)： 暗物质与普通物质（以及自身）的相互作用非常微弱，除了引力之外，其他力的作用几乎可以忽略不计。这就是为什么它如此“暗”。
现在，我们来对比一下真空在物理学中的概念：
真空的定义： 在量子场论中，真空并非“空无一物”。它被认为是量子场的最低能量状态。即使在这种状态下，仍然存在着由量子涨落产生的虚粒子对的瞬时产生和湮灭。
真空的性质： 真空具有能量，这种能量可以表现为“真空能”。宇宙的加速膨胀被认为与真空能（暗能量）有关，但真空能的数值与理论计算存在巨大差异（宇宙学常数问题）。虚粒子对虽然瞬息存在，但它们的平均效应是零（或者说，它们是电中性的，没有净动量或能量传递到宏观尺度）。
现在矛盾点来了：
质量来源： 如果暗物质来源于真空，那么它应该是一种“场”的激发态，或者某种真空的集体激发。但我们寻找的暗物质粒子是具有质量的“实体”，需要能独立存在并表现出引力。
动量和能量传递： 真空涨落的虚粒子对是瞬时的，它们产生和湮灭的速率极高，且不对外传递净动量和能量。而暗物质粒子则需要有稳定的、能够聚集的质量，并在宇宙中运动、形成结构。
“冷”的性质： 真空涨落产生的粒子通常是具有一定动量的。即使考虑真空中的粒子场，其基本激发态的粒子属性（例如质量和速度）需要与暗物质的“冷”的特性相匹配，这一点并不直观。
2. 主流暗物质模型对真空性质的“利用”方式：
尽管如此，科学家们也在探索暗物质与真空之间可能存在的微妙联系。这里需要区分的是，是“来源于真空”还是“与真空有互动/起源于某个与真空相关的过程”。
粒子物理学中的新粒子： 目前最主流的暗物质搜寻方向是寻找一种或几种新的基本粒子，它们不属于标准模型，但具有暗物质所需的性质。例如，弱相互作用大质量粒子（WIMPs）就被设想为在早期宇宙的高能环境下，通过与标准模型粒子发生某种相互作用（可能与真空中的某个场有关联）而产生，并随着宇宙冷却而“冻结”下来。这种产生机制在早期宇宙的“热”环境中发生，而非真空本身的“固有”属性。
标量场与暗能量的联系： 有些理论会探索暗物质是否是一种与暗能量（真空能的一种表现）相关的标量场。例如，极小质量的轴子（Axions）就是一种候选粒子，它们的质量极小，但可能在早期宇宙的相变过程中大量产生。而一些关于标量张量引力理论的猜想，也可能将暗物质和暗能量统一起来，甚至让暗物质的出现与某个真空结构的变化相关联。但这并非说暗物质“就是真空”，而是说它可能源于某个特殊的真空状态下的动力学过程。
修改引力理论中的“暗物质”： 还有一类理论，例如修正牛顿动力学（MOND）及其更现代化的版本，它们并不假设存在暗物质粒子，而是认为在某些极端引力条件下，我们熟悉的引力定律需要修改。在这种情况下，“暗物质”效应被解释为引力本身性质的改变，而引力可能与时空结构（某种意义上的真空）的性质有关。但这同样不是说暗物质“来源于真空”，而是说我们对“引力”的理解可能需要修正，而引力与时空（真空）是密不可分的。
3. 实验和观测的挑战：
目前的实验和观测主要集中在直接或间接探测暗物质粒子。例如：
直接探测： 在地下实验室里寻找暗物质粒子与普通物质原子核发生碰撞时产生的微弱信号。
间接探测： 通过望远镜观测暗物质粒子湮灭或衰变时可能产生的伽马射线、中微子或其他粒子。
粒子对撞机： 在高能粒子对撞机（如LHC）中尝试制造出暗物质粒子。
这些实验方法的前提是假设暗物质是由具有一定质量和相互作用的粒子组成的。如果暗物质是一种抽象的真空效应，那么这些实验手段很可能无法捕捉到它。
4. 哲学和科学方法论的考量：
从科学方法论的角度看，我们倾向于寻找最简洁、最能解释现有观测数据的模型（奥卡姆剃刀原则）。目前，引入一种新的基本粒子来解释暗物质，是一个相对“简单”且具有预测能力的模型，并且可以与粒子物理的框架兼容。
如果将暗物质解释为某种复杂的真空现象，那么这个“真空现象”本身需要有非常精确的定义和可观测的特征，并且要能够解释暗物质的所有观测性质（冷性、非重子性等）。目前还没有这样的理论模型能够令人信服地做到这一点。
总结来说，科学家们“不优先考虑”暗物质可能来源于真空，主要有以下原因：
缺乏直接的理论基础和模型： 目前的粒子物理和量子场论框架下，并没有一个简洁、成熟的理论能直接将暗物质的观测特性（如质量、冷性、非重子性）与真空的“常规”属性联系起来。
实验探索的方向性： 主流的实验和观测设计都是基于寻找具有一定质量和相互作用的粒子的假设。
对“真空”概念的理解限制： 我们对真空的理解仍然是初步的，尤其是其能量和其可能存在的非平凡结构。虽然真空能与暗能量有关，但暗物质的性质与我们目前理解的真空能（或真空涨落）相差甚远。
这并不意味着科学家们完全排除了这种可能性。相反，许多前沿的研究正在探索更深层次的联系，例如，暗物质是否是某个尚未发现的真空场的动力学遗迹，或者某种真空“相变”的结果。但从当前的主流研究范式来看，将暗物质理解为一种新型粒子，是目前最可行、最有希望的解释方向。如果未来的观测和理论发展指向了真空的直接关联，那么科学家的关注点自然会发生转移。
1. 暗物质的核心特征与真空的“常规”理解之间的差异：
首先，我们对暗物质的认知主要来自于其引力效应。我们看到星系旋转速度比可见物质预期的要快，星系团内部物质的运动速度异常，以及宇宙微波背景辐射的图案等等，都指向了大量我们看不见的、不与电磁波发生作用的物质。这些“暗物质”表现出以下几个关键特征：
非重子性 (Nonbaryonic)： 暗物质不是构成我们熟悉的原子（由质子和中子组成）的重子。如果是重子暗物质，它在早期宇宙的核合成过程中会留下痕迹，但我们观测到的轻元素丰度与重子暗物质的预测不符。
冷 (Cold)： 指的是暗物质粒子在早期宇宙中运动速度相对较慢，这对于形成今天我们看到的宇宙大尺度结构（例如星系和星系团）至关重要。如果暗物质是“热的”（速度快），它会倾向于均匀分布，难以形成这些结构。
弱相互作用 (Weakly interacting)： 暗物质与普通物质（以及自身）的相互作用非常微弱，除了引力之外，其他力的作用几乎可以忽略不计。这就是为什么它如此“暗”。
现在，我们来对比一下真空在物理学中的概念：
真空的定义： 在量子场论中，真空并非“空无一物”。它被认为是量子场的最低能量状态。即使在这种状态下，仍然存在着由量子涨落产生的虚粒子对的瞬时产生和湮灭。
真空的性质： 真空具有能量，这种能量可以表现为“真空能”。宇宙的加速膨胀被认为与真空能（暗能量）有关，但真空能的数值与理论计算存在巨大差异（宇宙学常数问题）。虚粒子对虽然瞬息存在，但它们的平均效应是零（或者说，它们是电中性的，没有净动量或能量传递到宏观尺度）。
现在矛盾点来了：
质量来源： 如果暗物质来源于真空，那么它应该是一种“场”的激发态，或者某种真空的集体激发。但我们寻找的暗物质粒子是具有质量的“实体”，需要能独立存在并表现出引力。
动量和能量传递： 真空涨落的虚粒子对是瞬时的，它们产生和湮灭的速率极高，且不对外传递净动量和能量。而暗物质粒子则需要有稳定的、能够聚集的质量，并在宇宙中运动、形成结构。
“冷”的性质： 真空涨落产生的粒子通常是具有一定动量的。即使考虑真空中的粒子场，其基本激发态的粒子属性（例如质量和速度）需要与暗物质的“冷”的特性相匹配，这一点并不直观。
2. 主流暗物质模型对真空性质的“利用”方式：
尽管如此，科学家们也在探索暗物质与真空之间可能存在的微妙联系。这里需要区分的是，是“来源于真空”还是“与真空有互动/起源于某个与真空相关的过程”。
粒子物理学中的新粒子： 目前最主流的暗物质搜寻方向是寻找一种或几种新的基本粒子，它们不属于标准模型，但具有暗物质所需的性质。例如，弱相互作用大质量粒子（WIMPs）就被设想为在早期宇宙的高能环境下，通过与标准模型粒子发生某种相互作用（可能与真空中的某个场有关联）而产生，并随着宇宙冷却而“冻结”下来。这种产生机制在早期宇宙的“热”环境中发生，而非真空本身的“固有”属性。
标量场与暗能量的联系： 有些理论会探索暗物质是否是一种与暗能量（真空能的一种表现）相关的标量场。例如，极小质量的轴子（Axions）就是一种候选粒子，它们的质量极小，但可能在早期宇宙的相变过程中大量产生。而一些关于标量张量引力理论的猜想，也可能将暗物质和暗能量统一起来，甚至让暗物质的出现与某个真空结构的变化相关联。但这并非说暗物质“就是真空”，而是说它可能源于某个特殊的真空状态下的动力学过程。
修改引力理论中的“暗物质”： 还有一类理论，例如修正牛顿动力学（MOND）及其更现代化的版本，它们并不假设存在暗物质粒子，而是认为在某些极端引力条件下，我们熟悉的引力定律需要修改。在这种情况下，“暗物质”效应被解释为引力本身性质的改变，而引力可能与时空结构（某种意义上的真空）的性质有关。但这同样不是说暗物质“来源于真空”，而是说我们对“引力”的理解可能需要修正，而引力与时空（真空）是密不可分的。
3. 实验和观测的挑战：
目前的实验和观测主要集中在直接或间接探测暗物质粒子。例如：
直接探测： 在地下实验室里寻找暗物质粒子与普通物质原子核发生碰撞时产生的微弱信号。
间接探测： 通过望远镜观测暗物质粒子湮灭或衰变时可能产生的伽马射线、中微子或其他粒子。
粒子对撞机： 在高能粒子对撞机（如LHC）中尝试制造出暗物质粒子。
这些实验方法的前提是假设暗物质是由具有一定质量和相互作用的粒子组成的。如果暗物质是一种抽象的真空效应，那么这些实验手段很可能无法捕捉到它。
4. 哲学和科学方法论的考量：
从科学方法论的角度看，我们倾向于寻找最简洁、最能解释现有观测数据的模型（奥卡姆剃刀原则）。目前，引入一种新的基本粒子来解释暗物质，是一个相对“简单”且具有预测能力的模型，并且可以与粒子物理的框架兼容。
如果将暗物质解释为某种复杂的真空现象，那么这个“真空现象”本身需要有非常精确的定义和可观测的特征，并且要能够解释暗物质的所有观测性质（冷性、非重子性等）。目前还没有这样的理论模型能够令人信服地做到这一点。
总结来说，科学家们“不优先考虑”暗物质可能来源于真空，主要有以下原因：
缺乏直接的理论基础和模型： 目前的粒子物理和量子场论框架下，并没有一个简洁、成熟的理论能直接将暗物质的观测特性（如质量、冷性、非重子性）与真空的“常规”属性联系起来。
实验探索的方向性： 主流的实验和观测设计都是基于寻找具有一定质量和相互作用的粒子的假设。
对“真空”概念的理解限制： 我们对真空的理解仍然是初步的，尤其是其能量和其可能存在的非平凡结构。虽然真空能与暗能量有关，但暗物质的性质与我们目前理解的真空能（或真空涨落）相差甚远。
这并不意味着科学家们完全排除了这种可能性。相反，许多前沿的研究正在探索更深层次的联系，例如，暗物质是否是某个尚未发现的真空场的动力学遗迹，或者某种真空“相变”的结果。但从当前的主流研究范式来看，将暗物质理解为一种新型粒子，是目前最可行、最有希望的解释方向。如果未来的观测和理论发展指向了真空的直接关联，那么科学家的关注点自然会发生转移。
网友意见
因为题目里的假说与观测事实不符。
题目称“真空密度均匀时，其对实物粒子的引力相互抵消。而实物周围真空的密度比较大，就有了剩余的引力”，按这种假说产生的“剩余的引力”会出现在“实物周围”而不能脱离“实物”，对解释星系自转速度的问题帮倒忙：
- 按照发光的常规物质的质量分布，在一定距离外环绕星系中心运动的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。
- 在常规物质周围追加有同样分布趋势的质量，会让这样的转速差异更加根深蒂固。
- 观测事实是没有出现上述转速差异规律，用质量来解释的话，那些质量必须远离星系盘且不能被电磁波观测到。
用异常质量解释来历不明的引力透镜时，“看不见的质量”同样没有“出现在实物周围”的规律。根据引力透镜，星系团 CL0024+17 内部需要如下蓝色环状部分的异常质量分布，和发光物质的分布严重不协调：
还有，你打算让太阳怎么处理周围的真空“密度”带来的额外引力对太阳系稳定性的影响呢。
如果你说太阳还不够“实物”到产生明显的“剩余引力”，那么银河系 90% 以上的天体还没有太阳的质量大，都不应该产生明显的“剩余引力”，剩下的少量大质量天体周围的“额外引力”要怎么跟观测事实协调呢。
蜻蜓 44 等“发光物质看起来很少，转速却相当大”的星系的形态需要大量的异常质量来解释，而 NGC 4736 等星系的形态几乎不需要异常质量就能解释。在星系团合并时，引力透镜显示的异常质量能表现出“无视发光物质、在合并路线上继续前进”的举动。这都不允许将暗物质解释为真空的基础特性。
题目里的假说还无视已经测定过的真空能量密度（约 1e-29 克每立方厘米）。暗能量可以来源于真空能，产生负压推动宇宙加速膨胀。
谈一个没有解释力的假说“既不用增加物理实体，也不用修正引力理论”是没用的。
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