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“暗物质”、“暗能量”的产生、发展和终结
作者:吴中祥     时间:2011-4-14     点击率:30107

“暗物质”、“暗能量”的产生、发展和终结
中国科学院 力学研究所 吴中祥

                      提 要
  所谓“暗物质”是因星系团内各星系的弥散速度按“维里平衡条件”推断其总质量比其成员星系质量的总和大10-100倍而产生。
  虽经发现例如:非可见光星体、中微子、黑洞等,仍远未能弥补这种质量缺失。
  还曾观测认为宇宙在加速膨胀,而设想有所谓“反引力”的“暗能量”充满宇宙各处。
  但经多方探测, 所发现的都是具有普通引力的物质。
  而对引力公式和红移测速公式由相对论和时空可变系多线矢物理的深入认识与发展,已能解释各种观测事实。
  特别是,由周围星体运动状态可按改进的引力公式和红移测速公式推断其间黑洞的质量,已可为弥补所谓“宇宙质量缺失”,否定存在不同于通常物质的所谓“暗能量”提供了条件。
  关键词:暗物质 维里平衡条件 反引力 暗能量 黑洞 相对论 时空可变系多线矢

1 、从何认定存在所谓“暗物质”?
  1933年,茨维克(Zwicky)由星系团内各星系的弥散速度按“维里平衡条件”,即:质量粒子的运动速度和空间分布应满足其间引力作用平衡的关系,而推断其总质量比其成员星系质量的总和大10-100倍。
  在此前、后200多年,人们虽已可探测到各种不可见物质(例如:不发射或反射可见光和各种电磁辐射的物质,视界内光子不能逃离的黑洞,等等)的存在,却都没能解决这一如此大量的质量缺失。因而,天文学界目前的流行理论就认为:宇宙中存在一种不明性质的物质粒子,所谓“暗物质”,它们本身不发出任何辐射,而对于光和各种电磁辐射的折射和反射也都非常微弱,而不能被直接探测到,却可能大量存在。能见的普通物质如恒星、行星等等,所占质量只是宇宙中很小一部分。暗物质才是宇宙物质的“主宰”。

2、 所谓有“反引力”且“无处不在”性质的 “暗能量”究竟是否存在?它的性质究竟如何?
  1998年有两组天文学家报告说,几十颗显得异常昏暗的Ia型超新星,由其辐射光的红移,按通常“都卜勒公式”分析,而得出宇宙(70亿年前)在加速膨胀,进而把它作为“暗能量”以及它正在猛烈拉开宇宙的证据。而设想有所谓“反引力”的“暗能量”充满宇宙各处。但是,仍然不能肯定确有这种性质的物质。
  为了确定宇宙扩张,及其变化规律,2003年还有研究小组准备用5年时间,继续搜集几十颗超新星足够充分的数据。并在此后,起码还需3年,增加几百颗超新星的数据,才希望能使判断“暗能量”斥力性质的参量精确到10/100以内。如果这个参量的值是不变的,才能得出“暗能量”总是斥力;如果它是改变的,就还可能又变为引力。而且,即使判定了“暗能量”有斥力或还可变为引力的性质,也不能断定它能充满宇宙各处。
  特别是,能量只是物质的一种运动特性和量度,不能认为有脱离物质的所谓能量。怎么可能会有区别于暗物质的,无处不在的,所谓“暗能量”?!
  目前5年已过很久了,也未得到任何确证的报道。
  但有美国《华盛顿邮报》网站2008年9月25日报道:探测所谓“暗能量”已成为美国航空航天局作为首要任务,联合能源部工作小组的“暗能量联合任务”,已有3台候选设备“命运”号;先进的暗能量物理学望远镜(ADEPT),领导ADEPT小组的查尔斯。L。贝内特说,这项任务将于明年中进行筛选,并在今后10年在太空工作。
  还有由索尔.帕尔马特领导的超新星加速探测器(SNAP)。
  以求得到更多信息。
  因此,“反引力”性质的“暗能量”究竟是否存在?它的性质究竟如何?都还在继续研讨之中。

3、观测认定确有暗物质,但都仍是有通常的引力作用
  德国《明镜》周刊2005年2月23日报道(英国广播公司、美国《宇宙》杂志等也对此有详尽报道):一个由英国、法国、意大利、澳大利亚等国科学家组成的研究小组宣布发现:“暗物质组成的星系”。 他们通过射电望远镜观测的数据推算星系的旋转速度,发现“室女座H121”星系的质量是太阳的1亿倍,这对一个星系虽不算很大,但它却不同于含有明亮恒星的正常星系,而是一片黑暗。因而,认为它是由“暗物质”组成的。
  2007年5月15日美国宇航局报告说(研究成果随后刊登在6月1日出版的《天体物理学杂志》),一个天文学家小组利用哈勃太空望远镜,借助“引力透镜”效应(即;遥远星系团的恒星发出的光在“路过”被观测区域时,被大质量物质的引力吸引而发生扭曲的现象),探测到位于距地球50亿光年的一个编号为“CL0024+17”的星系团中的,跨度约有260万光年,呈环状分布的,奇特暗物质环。并分析认为,在约10亿至20亿年前,有两个遥远的星系团发生碰撞,并融合为一,它们中的暗物质也因此在猛烈冲击下聚合并重新分布,在向外扩散的过程中由于引力作用形成了这个新的环状结构。他们称,这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据。
  研究小组成员、约翰斯•霍普金斯大学天文学家詹姆斯•杰说,“这是第一次探测到有着独特结构的暗物质,它的环状结构与星系团内部星系以及热气体的结构截然不同”,这将有助于天文学家分析暗物质与普通物质的区别,理解引力作用是如何影响暗物质的。
  但是,即使所谓“引力透镜”效应也是通常引力的作用,这些所谓的“暗物质”也都只能是认为他们都是有通常特性的引力。
  一切物体都有质量,都离不开引力的作用。
  各天体间,电磁作用由于正、负电荷彼此相消,而仅显现引力的作用。
  2008年10月26日www.science.com报道:英国加的夫大学的Michael Disney率领的一个天文学家小组,基于星系氢气团的辐射情况,随机选择了200个星系进行分析,发现,尽管星系几乎所有的特征(例如:发光度、形状、大小以及所含气体等)都不相同,但是这些特征似乎都被一个简单的量所控制,而推测:那个量可能就是质量。 也具体表明引力是宇宙各星体间的重要作用。

4、也并不是直接观测到所谓“暗物质”
  美国能源部斯坦福直线加速器中心(SLAC)出版社2006年8月21日发行的“Dark Matter Observed: Most Direct Measurement of Dark Matter Allows Study ofits Nature(观测到暗物质:暗物质的最直接的测量允许研究其性质)”,报道:一个由美国众多研究单位资助和人员参与的研究小组,使用哈勃空间(Hubble Space)、麦哲伦(Magellan)以及甚大(Very Large)望远镜、对光线偏折的测量,对一个离我们30亿光年远的星系团(Galaxy Cluster)中,据信是由两团星系迎面以每小时一亿英里的速度撞到一起,并彼此穿过而形成的子弹星系团(Bullet Cluster)进行的所谓“划时代”的观测、研究。
  还原出在子弹星系团中质量的分布情况,并与由钱得拉(Chandra )X射线望远镜拍得的X射线图对比,
  发现其中有四个独立的物质团:比较大的两个在碰撞点附近运动较快的,不发光;另外较小的两个发光,而在碰撞点附近缓慢地移动。
  因而认为:宇宙中存在两种物质:一种是可以发光而可见的普通物质;另一种是不可发光而不可见的暗物质。两个星系团,内部包含的可以发光物质由于相互之间存在引力之外的相互作用力,相互挤压而出现减速;而其中的暗物质由于相互之间没有这种排斥力,它们并不减速,而直接穿过。这样就导致暗物质跑到发光物质的前面去了,每个星系团就分成了两部分:暗物质在前,发光物质在后。 并以此认为:这是直接观测到暗物质。
  其实,观察到的现象并不能如此解释。
  因为,实际上,按照任何物质粒子彼此相撞的已知规律:
  只是在以足够大的相对速度,彼此以足够能量击中时,才会发X光。两个星系团,彼此以高速相对运动并穿过,其中的各粒子只有部分能以一定的几率彼此直接击中,转化、发光或弹回,由于转化、发光损失部分动能,因而各自弹回的速度也变缓;而另外的部分就并不彼此击中而各自直接保持原有相对运动高速穿过。
  这样,也就形成了四个独立的物质团。而在碰撞点附近缓慢地移动的两个物质团应是彼此直接击中,转化、发光或弹回,并被减速的那部分粒子。而不发光的就只是并不彼此击中而各自直接保持原有相对运动高速穿过的那部分粒子。
  因而,根本不能认为这就是:直接观测到相互之间没有排斥力、不发光的所谓“暗物质”。

5、仍然不是“暗物质”存在的理由!
  《自然》杂志2008.8.13.(Nature 454, 808-809 (2008))在线发表::“Physicists await dark-matter confirmation(物理学家等待证实暗物质)”报道PAMELA(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) 实验组在0.5亿到1000亿电子伏特能量区间,高精度探测,测量的结果,在太空发现高能反电子(正电子)的超出现象。
  引起有些物理学家重视,认为:如果这是真的, 就可能是实验上最清楚的暗物质存在信号的重大发现。
  其实,在太空发现高能正电子,并不奇怪。
  其重要意义应只是在于在太空实际发现了反粒子。
  但是,没有任何理由,可以认为:高能正电子在太空被发现,就是所谓“暗物质”的产物!仍然不能认为:这是暗物质(所谓,有与普通物质基本特性不同的“反引力”)存在的理由!

6、首先应搞明确所谓“暗物质”粒子有什么不同于已知的其它已知特性粒子的特性。
  美国《纽约时报》报道,2008年4月16日,意大利和中国物理学家组成的 “Dama”(由暗物质英文名称“dark matter”每个单词中的前两个字母组成) 研究小组声称,他们已经发现神秘的暗物质粒子。
  这次意大利和中国物理学家组成的研究小组的试验是将碘化钠——当遭到所谓“弱作用重粒子(WIMP)”撞击时闪光——作为一种探测器。在1996年至2002年的第一次试验,共使用220磅碘化钠;于2003年的第二次实验,共使用500磅碘化钠。在两次实验中发现,碘化钠闪光率最高时出现在6月,最低时出现在12月。而认为已经发现神秘的暗物质粒子。
  但是,撞击碘化钠,使其闪光,怎么就是“弱作用重粒子(WIMP)”?!怎么就是暗物质。这种所谓“暗物质”粒子的性质究竟有什么本质上的不同?!
  因此,首先应搞明确所谓“暗物质”粒子有什么不同于已知的其它已知特性粒子的特性。才谈得上发现“暗物质”粒子。
  这两次意大利和中国物理学家组成的研究小组的试验中,发现的碘化钠闪光,只能说是某种尚未查明的粒子撞击所致,而没有任何理由认为哪些粒子是不同于已知的其它已知特性粒子特性的所谓“暗物质”粒子。

7、所谓“非粒子”怎能当作所谓“暗物质”?!
  所谓“非粒子(unparticle)”是2007年3月,著名的物理学家,哈佛大学教授Howard Georgi 在一篇论文中提出的,可能存在的,一种“非固定质量颗粒”的猜想。
  他设想:这物质的量子没有固定的(静止)质量,而是可以有不同的静止质量,具有较高质量的量子其相空间密度则较低,而且与普通物质相互作用很弱。
  因而,这种假想特性的所谓“非粒子”,也就被认为适合作为所谓“暗物质(dark matter)”。并根据其相互作用强度、热退耦时间的不同,决定其丰度大小,等等。
  其实,我们所知的所有物质都有确定的质量。实物粒子的静止质量都大于0,运动质量都是由相对论公式表达为速度的函数。光子的静止质量等于0,运动质量都是与大量同种光子的频率成正比。提出这种没有固定的(静止)质量的所谓“非粒子”本身就没有任何实际的事实根据。这种凭空捏造的所谓“非粒子”又怎能当作所谓“暗物质”?!

8、暗物质的最新模拟计算结果也应能表明它是普通物质。
  2008年8月7日《自然》期刊 发表J. Diemand等的文章:“Clumps and streams in the local dark matter distribution”(局部暗物质分布中的块和流)报道了他们按137亿年间的上十亿暗物质粒子的重力效应和相互作用的理论和观察数据,利用美国田纳西州橡树岭国家实验室的“美洲虎”超级计算机运行大约1个月,模拟计算得到:暗物质的球形晕轮包住了银河系,其中还包含有浓密的块状物和一串串神秘的填充物,甚至在我们太阳系附近也存在这些物质。
  认为它们是由所谓的“WIMP(微弱反应巨大粒子)” 所组成。这些粒子撞击时能彼此湮灭,而发出伽马射线。就很容易被伽马射线大区域太空望远镜探测到。
  这个模拟计算结果,既然是根据重力效应和相互作用的理论和观察数据得到的,如果得到实际观测证实,就应能表明,所谓暗物质也应是有重力效应和相互作用的普通物质。

9、通常认为:中微子和黑洞是人们已经发现的两种暗物质
  中微子是电中性且质量很小的基本粒子,对在其附近物体的引力也小。
  而黑洞应是大质量高密度或极高密度但密度很不均匀的粒子团,光子也不能逃出其视界。
  当其中局部发生强辐射甚致爆炸时,还可能有虽受引力降低能量而仍能逸出其视界的热辐射甚至强光子和高能粒子。实际上,许多黑洞正是由观察到其中逃出的X射线,从而发现其存在的。
  而黑洞对在其附近物体的引力也大。
  但是,当黑洞中各部分都未达到产生能逸出热辐射甚至强光子和高能粒子的条件时,就只能,也应能,由其附近物体受引力的分布状态(包括所谓引力透镜现象),查觉其存在及其分布情况。
  由引力透镜现象所得到的所谓暗结构,就完全可能归结为是由黑洞或黑洞群所产生的!
  宇宙中遥远天体的观测曾按通常“都卜勒效应”分析,为有加速的膨胀运动,而认为是暗物质所产生的反引力。
  但是,通常频率与运动速度成正比的“都卜勒效应”公式,只实用于惯性的牵引运动,怎能用于引力或反引力的非惯性牵引运动?!怎能由此确定存在反引力及具有反引力的暗物质?!
  既非中微子又非黑洞的暗物质的基本性质是什么?!有何根据确定其存在?!怎能把由引力透镜现象所得到的结构归结为是所谓具有反引力的暗物质产生的呢?!

10、按行星、卫星或太空探测器运行轨道偏离所受引力而估计存在暗物质
  例如:北京时间2008年7月3日消息。
  美国亚利桑那大学的天文学家日前宣布,他们通过数学模型对太阳系中行星及其卫星的运行情况,细致观测太阳系中各天体,按所受引力计算出了它们在运行过程中出现的偏差,估算出了暗物质的总质量及其分布情况。结果显示:距离太阳越远,暗物质的密度就越低。从太阳到海王星之间分布着质量达1.07乘10^(20)千克的暗物质。
  又例如:北京时间2008年9月25日消息,据英国《每日电讯报》报道,美国科学家称,他们通过一种最新的理论研究发现,地球和月球之间其实隐藏着大量神秘的暗物质。
  美国宇航局近日发表的一份分析报告认为,卫星或太空探测器在飞离或返回地球的过程中,其往返轨道越不对称,飞行异常现象也就越明显。美国“近地小行星交会”“舒梅克”号探测器的飞行速度就比预计的要快得多。在许多太空探测器近地4小时的飞行期间,有的出现减速现象,有的出现加速现象。
  对此,美国普林斯顿高等研究院理论家斯蒂芬•阿德勒博士认为这是由飞行器在穿越所谓暗物质的过程中,受到了来自暗物质引力作用,于是就引起了飞行器速率的不规则变化。并据此认为地球周围存在着大量的暗物质,并估计地球周边的暗物质应该位于月球的公转轨道与低空卫星的轨道之间,集中于地球周围半径大约为7万公里的空间内,其总质量肯定不超过地球质量的十亿分之四。这一质量限度使得地球周围可以存在高密度的暗物质。它的密度极高,比银晕密度高出2000亿倍。
  但是,这种所谓暗物质是否也就是某类高密度的黑洞,也更不能得出存在所谓有“反引力”特性的暗物质。

11、利用发现盘旋在银河系中央黑洞附近的一大群巨大恒星的运动规律, 确定该黑洞的质量和范围。
  据美国生活科学网站2008年8月21日报道,科学家近日通过研究发现,银河系中央潜伏着一个巨大的黑洞,一大群巨大的恒星漂浮在我们银河系的中央,盘旋在该黑洞附近。并按设计出一个模型,首次模仿演示出这些恒星在如此复杂混乱的黑洞环境中形成的过程。对黑洞附近恒星的形成原因给出了一个新的解释。
  还推测:模型中演示的恒星形成过程在浩瀚的宇宙很普遍。我们银河系中存在的巨大黑洞,肯定在其他星系同样存在,甚至其他星系的黑洞比我们银河系中央的黑洞要大上几千倍。
  这样看来,由这些星体的运行状态,分析其所受引力的情况,就应能具体判定中心黑洞的质量。

12、按照相对论,引力公式中的距离也应是4维时空的距离,时空可变系多线矢理论对引力公式的修正
  观测宇宙星体运动规律探寻所谓“暗物质”,都是按引力公式具体分析。一切物体都有质量,都离不开引力的作用。
  也有人采用人为设置相应的参量,改变引力公式的形式,拟合观测数据,
  分析某些星体运动和相互作用现象。但是,这种方法,虽也能与观测结果相符,却因不能说明所设参量的根据和理由,而不能作为理论基础。
  按照相对论,对于高速(其在3维空间的速度与在真空中光速相比,不可忽略)运动物体,须由4维时空位置矢表达其位置。
  因而时空可变系多线矢理论提出:物体间的距离也应由4维时空距离表达。这样,对于通常距观测点较近的各点的距离,就因“时轴”分量与3维空间
  分量相比完全可以忽略,而实际上与3维空间距离无异。但是,对于遥远宇宙星体间的距离,其“时轴”分量与3维空间分量之比就可能完全不能忽略,甚至成为主要部分。因而,就可能出现偏离通常引力公式,甚至成为斥力的情况。
  2005年9月2日《自然》杂志网络版(www.nature.com)头版头条新闻中报道了国家天文台的秦波博士与多伦多大学的Ue-Li Pen及牛津大学的Joseph Silk教授通过对天文观测的研究中,就发现某些遥远星体间万有引力可能在小于一个纳米的微小尺度上开始偏离牛顿引力的平方反比率,而呈现1/r^5率。
  这正表明:在地球观测这些遥远星体间时空距离的时间坐标就可能有较大差异, 而其时空距离的3维空间分量就会出现、与其“时轴”分量可比的情况,因而,使引力定律出现相应过渡区的形式。而能很好地解释他们观测到的偏离牛顿引力与3维空间距离,r,的平方反比率,而在一定的时空距离处,呈现1/r^5率的情况。
  这就又具体证实了这种修改是符合客观事实和客观规律的。也表明:在地球观测遥远星体间的时空距离,就与通常观测近处物体不同,而偏离牛顿引力与3维空间距离,r,的平方反比率的情况。通常按牛顿引力与3维空间距离,r,的平方反比率,由周围星体运动状态态估算中心黑洞的质量就可能显著偏小。因而,观测遥远星体间的引力,必须采用相应的“时空距离”,而不能沿用通常的3维空间距离。
  万有引力公式,经相对论4维时空矢量以及时空弯曲的修正,并发展为时空可变系多线矢的引力公式,已能符合宇宙星体已知的各种运动和相互作用问题。
  因此,对宇宙星体运动规律,探寻所谓“暗物质”的所有观测、分析,都应按经如此修正、发展了的,引力规律公式具体分析。
  但是,现有的所有有关的观测分析,却都并没有能如此正确地进行。

13、由星体的红移量,按通常的“都卜勒公式”推算的星系运动速度不适用于非惯性牵引运动,也必需改正。
  现今,星系的运动速度还都只是按各星体红移的观测数据,由通常的“都卜勒公式”推算的。并由此,按引力公式判定周围暗物质的质量和密度。
  但是,《时空可变系多线矢世界》新理论体系,已具体导出包括非惯性牵引运动系的公式,表明运动物体的辐射红移量是其位置、速度和加速度的非线性函数。而通常的“都卜勒公式”却只是惯性牵引运动系的简化特例,而对于非惯性牵引运动系,就显然并不适用,而会得出错误结果。
  因此,对于非惯性牵引运动系,就必须根据非惯性牵引运动系的公式,和对其中的其它必要的有关数据,做进一步的观察、测定,才能重新正确确定。
  但是,现有的所有有关的观测数据也都没能如此正确确定,因而,都必须作相应的修正。

14、应全面计及以上的各种因素,判定是否确有不同于通常物质的所谓“暗物质”
  总之,直到现在,仍未具体确定所谓“暗物质”的基本特性和寻找途径。
  而由现有引力和红移公式分析观测到的各种宇宙星体运动现象,所得到的质量显然并不准确,且可能偏差很大。
  应按非惯性牵引运动系的红移公式,和按相对论发展的4维时空引力公式,正确地具体分析,由观测到的各种宇宙星体运动现象,全面计及以上的各种因素,观测宇宙星体运动规律,例如:盘旋在银河系中央黑洞附近的一大群巨大恒星的运动规律,以求得出其确切的质量。
  就可能充分发现、观测到已知宇宙范围内的“非可见光”辐射天体和黑洞等肉眼“看”不到的暗物质,以及它们确切的质量?是否它们贡献的宇宙密度总和,就能足以弥补所谓“宇宙密度缺失”?
  而能判定:是否真有特殊性质的“暗能量”?或能根本否定不同于通常物质的所谓“暗能量”的存在性。

15、英国科学家提出:“暗物质、暗能量也许并不存在”
  英国《每日电讯报》2010年6月15日报道:一些英国科学家提出:“暗物质、暗能量也许并不存在”。他们是提出计算“宇宙膨胀”模型可能存在致命缺陷,导致膨胀速度比原设想要慢,甚至最终停下来,分析宇宙微波背景辐射的测量值表明,也许比此前认为的小得多,而认为暗物质、暗能量不太可能主宰宇宙。
  其实,宇宙膨胀说本身就有众多质疑,研究其膨胀速度就更无实际意义。暗物质、暗能量的存在性也与宇宙膨胀、宇宙微波背景辐射根本无关,而是由于星系团内各星系的弥散速度按“维里平衡条件”推断其总质量比其成员星系质量的总和大10-100倍而产生的。而且,现在,已经观测到“非可见光”辐射天体,实际探测不到而能由能量、动量守恒,而判定其存在的中微子和由其周围粒子所受引力,或其中不时辐射出的粒子,而判定其存在的黑洞等肉眼“看”不到的暗物质。特别是,已经观测控到有巨大质量的黑洞,并有局部地区已能弥补相应的“密度缺失”。因而,不能否定这些暗物质的客观存在。
  但是,如前所述,具有所谓“反引力”特性的,所谓“暗能量”就可能是不会存在的。
  而且,可能充分发现、观测到已知宇宙范围内的如上各种暗物质,就能足以弥补所谓“宇宙密度缺失”,而全面终结地解决了所谓“暗物质”、“暗能量”问题。

16、参考文献:
  [1]《时空可变系多线矢世界》 吴中祥 博士苑出版社 2004年11月
  [2] http://www.sciencenet.cn/u/ 可变系时空多线矢主人/