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占全宇宙質量的8成以上,我們卻完全看不見,答案離我們很近了


川陀太空川陀太空訊(小伊)宇宙中正在發生一些有趣的大尺度事件,「大」在這裡意味著至少和星系一樣大。簡而言之,這些尺度的數值只是未加起來。例如,當我們觀察一個星系並計算出所有熾熱發光...

- 2019年3月31日05時32分
- 科學文摘 / 川陀太空

川陀太空

川陀太空訊(小伊)宇宙中正在發生一些有趣的大尺度事件,「大」在這裡意味著至少和星系一樣大。簡而言之,這些尺度的數值只是未加起來。例如,當我們觀察一個星系並計算出所有熾熱發光的恆星、氣體和塵埃時,我們得到了一定的質量值。當我們使用任何其他的方法來測質量時,我們得到一個更高的數值。所以很自然地得出結論,宇宙中並非所有的物質都是熾熱的。也許有些是黯淡的。暗物質的一個主要難題,儘管不是唯一的主要難題,但這在本文後面將很重要,是所謂的星系旋轉曲線。當我們觀察恆星圍繞其星系中心旋轉時,按理來說離中心較遠的恆星應該比離中心較近的恆星移動得慢。這是因為星系的大多數質量都被擠進了核心,而最外面的恆星離所有這些物質都很遠,而且由簡單的牛頓引力理論可知,它們應該在軌道上緩慢運行,但它們並沒有。

相反,最外面的恆星繞軌道運行得和中心區域的恆星一樣快,這是一個引力問題,所以只有兩種可能。要麼我們對引力的認識有誤,要麼有一些額外的不可見物質浸透了每個星系。據我們所知,引力非常非常正確(這是另一篇文章的結論),於是

「轟隆」一聲:暗物質被提出。某種物質使這些隨意運動的恆星被限制在它們所處的星系中,否則它們會像失控的旋轉木馬一樣在數百萬年前飛走;因此,有一大堆物質我們無法直接看到,但我們可以間接檢測。


四種基本的自然力

但如果這不僅僅是引力的問題呢?畢竟,有四種基本的自然力:強核力、弱核力、引力和電磁力。它們中有一種會在星系中起作用嗎?強核力只在微小的亞原子尺度下起作用,所以它可以被排除。除了某些罕見的衰變過程和相互作用過程外,沒有人關心弱核力,所以我們也可以把它擱置一邊。電磁作用……很明顯,輻射和磁場在星系的一生中起著一定的作用,但是輻射總是向外發散(所以很明顯,它不會對控制快速移動的恆星提供幫助),而且星系磁場極其微弱,不大於地球磁場的百萬分之一。

就像物理學中的所有事物一樣,有一條潛在的出路。據我們所知,光子——電磁力本身的載體是完全零質量的。但觀測就是觀測,在科學裡沒有確定無疑的事物,當前的估算把光子的質量定為不超過2乘以10負24次方電子質量。出於所有意圖和目的,對於任何人都關心的任何事情,光子質量從根本上來說都是零。但是如果光子確實有質量,即使低於這個極限,它也能對宇宙產生一些相當奇異的效果。由於光子質量的存在,麥克斯韋方程組,我們理解電、磁和輻射的方式將出現一種修正形式。數學中出現了一些額外的術語,新的相互作用開始形成。

新的相互作用相當複雜,並且取決於特定的情形。對於星系情形來說,它們微弱的磁場中開始出現一些特殊的事物。由於磁場的纏結和扭曲性質,大質量光子的存在以正確的形式修正了麥克斯韋方程組,增加了一種新的吸引力,在某些情況下,這種吸引力可能比引力單獨產生的力更強大。換言之,新的電磁力可能有能力將快速移動的恆星束縛起來,從而完全消除了對暗物質的需要。

但問題並不簡單。磁場穿過星系中的星際氣體,而不是恆星本身。所以這個力不能直接作用於恆星。這種作用力反而需要拽住氣體,氣體必須以某種方式將這種作用反饋給恆星。對於質量大、壽命短的恆星,這是非常直接的。氣體本身以高速繞著星系核心旋轉,形成一顆恆星,這顆恆星演化、死亡,剩餘的物質恢復為氣體的速度如此之快,以至於這些恆星都表現的像氣體的運動一樣,這給了我們所要的旋轉曲線。


小恆星的大麻煩


但小而長壽的恆星是另一種「野獸」。它們與形成它們的氣體分離,獨自演化,在它們死亡之前它們繞著銀河系中心轉了很多圈。由於他們沒有受到奇異的新電磁力,他們應該完全漂離他們的星系,因為沒有什麼能阻止他們。事實上,如果這種情形是準確的,並且大質量光子可以取代暗物質,那麼我們的太陽就不應該在它今天所在的位置上。此外,我們有很好的理由相信光子確實是零質量的。當然,麥克斯韋方程組可能不是很在意這一點,但狹義相對論和量子場論卻很關心這個問題。這要你開始給定各種光子質量,並做出很多解釋。

再者,僅僅因為每個人都看好星系旋轉曲線,並不意味著它們是我們認識暗物質的唯一途徑。星系團的觀測、引力透鏡效應、宇宙結構的演化,甚至宇宙微波背景都給我們指明了我們宇宙中某種看不見的成分。

即使光子有質量,並且能夠以某種方式解釋一個星系中所有恆星而不只是大質量恆星的運動,它也無法解釋其他觀測的主要成果(例如,一種全新的電磁力如何解釋星系團周圍光線的引力偏折?這不是一個反問——它確實不能)。換言之,即使在一個充滿大質量光子的宇宙中,我們仍然需要暗物質存在。


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