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关于“暗物质”是否存在:2018年的最新进展!

关于“暗物质”是否存在:2018年的最新进展!

阅读本文前,做好深度思考的准备哦。

暗物质的定义

暗物质是一种摸不着看不见、除了引力之外几乎不参与其他相互作用的……物理学家在理论上设想的,物质。物理学家计算,这个宇宙中暗物质的总质量应该是已知物质的六倍。

我们从未直接探测到暗物质,只是宇宙中有一些现象,必须用暗物质来解释。我们没有暗物质存在的直接证据,但是我们有间接证据。

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(暗物质想像图)

最关键的间接证据,就是星系团外围的星系绕着星系团旋转的速度,和星系外围的恒星绕着星系旋转的速度,都远远超出了预期。

举例:这就好比你抓住一根绳子的一端,在另一端拴上一个小球,让绳子以你的手为中心旋转。旋转速度越快,你手的拉力就必须越大。地球绕着太阳转,恒星绕着星系转,星系绕着星系团转,也是一样的道理:旋转速度越快,需要“拉住”它们的引力也必须越大。

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(暗物质星云想像图)

而引力是由质量提供的。天文学家数一数星系内部的可见物质,发现他们提供的引力根本支持不了外围恒星那么大的旋转速度。所以唯一的解释就是星系内部还有一些别的物质 —— 比可见物质多得多的物质 —— 在提供这个引力。

物理学家排除了各种可能性:黑洞、流浪行星、星际气体……,现在我们相信,星系团和星系内部必然存在着大量的“暗物质”。根据这个设想,一个典型的星系团就应该是下面这个样子 ——

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(银行星系模拟图)

最新发现

今年天体物理学界有个新发现证明了:前面的这些理论是错的。严格地说星系团还是没问题,这个新发现是关于星系的。

3月29日,包括双子座北天文台、W·M·凯克天文台、哈勃太空望远镜和世界上其他几个天文台联合在《自然》杂志发表一篇论文,说有一个编号为 NGC1052-DF2 的星系,它的内部,没有暗物质!

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NGC1052-DF2

这个星系距离我们非常非常远,在6500万光年之外。而且它还属于一种非常特殊的星系类别,叫“超稀疏星系(Ultra diffuse galaxy)”。超稀疏星系内部的恒星非常稀疏,单位空间里恒星的数量只大约相当于我们这个银河系的1%。超稀疏星系这个种类是直到2015年才被天文学家正式发现,结果马上就发现这种星系在宇宙中还很常见。对暗物质来说超稀疏星系并不特殊,天文学家研究过的其他超稀疏星系里都有暗物质,有些超稀疏星系内部,被认为几乎全都是暗物质。

可是这个 NGC1052-DF2,却非常、非常不一样。天文学家测量了这个星系外围恒星的运动速度, 发现它们正好就是星系内部那些可见物质的引力所能提供的速度,根本不需要暗物质。

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(后发座星系团)

那你可能会说,这个星系离我们这么远,是不是里面还有别的东西,天文学家没看清楚?不会是这个原因。请注意,如果星系内部还有别的东西,引力就应该更强,外围恒星旋转的速度就应该更快 —— 那只能说明有暗物质。天文学家观察到的结果是外围恒星的速度比有暗物质情况下要慢。

当然,超乎寻常的论断需要超乎寻常的证据。而事实上,天文学家并不是看到一个观测结果就大喊大叫,这个结果是几个天文台加上哈勃望远镜互相交叉验证之后,才敢发表出来的。

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(哈勃望远镜)

这是目前为止天文学家找到的唯一一个没有暗物质的星系。这个结果一出来就引发了大讨论。学术论文经过审稿程序再发表一般需要好几个月的时间,物理学家喜欢用不审稿的预印本服务器先把论文贴出来再说。不过这一次更急,是直接在 Twitter 上表态。我们现在能说的就是有几个物理学家对这个结果表示质疑。

凡是颠覆式的发现,一定会引发质疑。也许这个发现最终会被证伪,但也许过不了多久天文学家就会发现别的没有暗物质的星系。科学史的经验,是一旦发现一个,很快就能发现很多个。那么假设 NGC1052-DF2 内部真的没有暗物质,这个事儿可就大了。

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用“不存在”证明的存在

如果 NGC1052-DF2 星系内部不存在暗物质,那么现在我们就可以确切地说,暗物质这种东西,的确存在。

这个道理是这样的。我们以前的观测,是在每一个星系、每一个星系团内部,都有暗物质。那么人们就提出一个质疑,说也许根本不存在什么暗物质,是你的理论计算需要修改。毕竟我们从来没有直接探测到暗物质,我们只不过是发现外围恒星旋转速度太快,推测内部有暗物质来提供更大的引力。而我们计算引力和旋转速度的关系,用的是现有的引力理论 —— 也就是广义相对论。那么的确就存在一种逻辑上的可能性,广义相对论有问题,而暗物质并不存在。

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(引力结构想像图)

绝大多数物理学家非常相信广义相对论,毕竟像引力波这样的观测结果已经证明广义相对论是个很好的理论。另一方面,宇宙大爆炸理论也需要暗物质。我们需要暗物质的引力去帮着平衡宇宙膨胀。但是仍然有一些物理学家,就在试图提出修改版的引力理论,能够在满足其他所有观测结果的情况下不要暗物质。

说白了,就是这里有一个效应,你说这个效应是某个东西导致的,那我也可以说不存在什么东西,是物理定律要求必须有这个效应。如果暗物质在每个星系都存在,我完全可以说它并不存在,这只不过是星系的一个物理性质而已!

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(引力结构想像图)

现在好了!NGC1052-DF2 这个星系里就不存在暗物质!这就说明其他所有那些星系,之所以会有旋转速度快那样的性质,不是什么物理定律导致的,而是那些星系的个性。暗物质可以出现也可以不出现,所以它一定是一种真实的东西,而不是幻觉。暗物质就好像一个平时总是循规蹈矩的人,有一天终于表现出了她的个性,使我们终于相信她是个活生生的人。

我觉得这件事不仅仅是个重要的物理学发现,而且在智识上也很有意思。一件东西如果无处不在、永远存在,那我们就完全可以说它不存在。

比如以前物理学家相信空间中弥漫着一种叫“以太”的物质,是光的载体,它无处不在、永远存在。结果后来证明以太并不存在。这个世界并不需要以太,物理定律已经解释一切。

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(星系观测图)

总结:

很多人都相信上帝的力量无处不在、永远存在,宇宙中任何事情都体现了上帝的意志 —— 那好,我们就可以问,“上帝”,跟“物理定律”,有什么区别呢?物理定律永远都好使。只有在某一时间某一地点,上帝决定罢工不干活了,任由那里的事情发生一次混乱,我们才能相信,上帝不是物理定律,上帝有"个性",上帝真实存在。

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GOD

其实“爱”也是这样。如果你从小到大都生活在周围亲友的爱之中,你可能根本感觉不到爱的存在,你以为这个世界就是这样优待每个人的……直到有一天,有个人突然不爱你了,你才意识到“爱”的存在。

NGC1052-DF2 这个星系为什么没有暗物质,物理学家现在连最基本的猜测都没有。此前的主流理论是连星系的诞生都必须要有暗物质参与才行。现在我们还在慢慢接受和体会这个震惊的发现。

虽然还是没有直接的观测证据,但我们现在更加相信,暗物质用它”部份的不存在,证明了它真实存在“。

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