10大网页游戏排行榜bt777游戏高返新服(暗物质不存在？！无暗物质宇宙模型突破最大障碍)

朱雀含笔

2022-04-20 13:55:26

旋涡星系的自转速度比理论预测的要快。(图片来源:NASA/CXC/Sao/d . Hartmann/JPL-加州理工学院)

10大网页游戏

两个多月前，我们写了《暗物质，像以太一样，根本不存在？本文介绍了蒙德理论。近日，新相对论MOND模型正式发表在《物理评论快报》上。这个没有暗物质的宇宙模型在被科学家忽视了30多年后，重新回到了人们的视野。与此同时，对弱相互作用大质量粒子的搜索已经接近极限，物理学家正在寻找轴子等暗物质候选者，但还没有人发现暗物质。暗物质真的存在吗？前沿科学已经误入歧途几十年了吗？

直到天文学家仔细研究星系的自转速度，一切似乎都能蒙混过关。然而，随着美国天文学家维拉·薇拉·鲁宾在20世纪60年代末对螺旋星系M31的旋转速度进行了仔细的测量，理论计算和实际观测之间的差异再也无法隐藏。星系外的旋转速度肯定比牛顿引力预测的要快。(在这个尺度上，广义相对论相当于牛顿引力)经过10年的数据积累，她在1980年发表的一篇论文中总结了这一现象，并得出结论:要么是有某种我们看不见的东西产生了额外的引力；要么是牛顿引力有问题。

比较预测的(a)和观测的(b)典型的螺旋星系自转曲线，横轴是离星系中心的距离(图片来源:维基百科)

暗物质 MOND 修正牛顿动力学分别是这两个推论的延伸。暗物质假说认为宇宙中看不见的暗物质正逐渐走向主流。当今宇宙学中最常用的模型是λλCDM模型，称为λ-冷暗物质模型。当代宇宙学家在课程中学到的主要是这个模型。以色列物理学家莫迪海·米尔格罗姆(Mordehai Milgrom)注意到，只有当重力加速度小于10-10m/s2时，才会出现转速异常。他认为在这种条件下，牛顿的引力不再适用，于是提出了蒙德理论。但即使他在1988年用自己的理论解释了星系的自转曲线，MOND的理论仍然被嘲讽。

但是最近发表在《物理评论快报》上的一篇论文可能会改变现状。在这篇论文中，两位捷克理论物理学家Constantinos Skordis和Tom Zonik 发展了一个新的相对论MOND模型。越来越多的科学家注意到了他们的成就。也许我们的宇宙根本不需要暗物质。

被忽视的30年

蒙德理论长期被忽视是有原因的。最重要的原因是它不能解释宇宙微波背景(CMB)。

微波背景辐射(来源:美国宇航局)

宇宙微波背景辐射是现代天文学最重要的发现之一，也是大爆炸假说最重要的证据之一。瑞士宇宙学家Ruth Durrer曾经说过:“一个理论必须与(CMB的)数据一致。这就是MOND的瓶颈。”λ CDM模型可以很好的利用CMB数据，“宇宙中重子物质占4.9%，暗物质占26.8%，暗能量占68.3%”[S2/]，一个科学爱好者熟知的结论，用λ CDM模型计算出来。相反，MOND理论对于CMB数据一直束手无策，无法重现CMB数据。

此外，MOND理论还有一些细节，比如很难解释某些星系中的引力透镜问题。根据广义相对论，大质量物质的引力可以使光线发生偏转，大量物质聚集的地方可以形成引力透镜。但在以子弹星系为首的一系列星系中，天文学家找不到一些引力透镜对应的质量，只能用看不见的暗物质来解释。然而在2004年，有人提出了MOND理论的相对论版本，可以解释这个引力透镜”。但它仍未能克服最关键的问题:解读中巴数据。

蓝色部分是引力透镜计算出的暗物质分布(图片来源:NASA/CXC/M. Weiss)

就连这篇论文的作者Scotty也承认:“如果这个理论不能做到这一点(重现CMB数据)，它根本不值得进一步考虑。”最近发表在Physical Review Letters 上的新MOND模型，最大的意义是用类似于MOND的理论解释CMB。

补全的理论蒙德理论的新版本假设有两个领域遍布整个宇宙，它们的共同作用导致了额外的引力。其中一个场是类似希格斯场的标量场。另一种是类似磁场的向量场，在空中的每一点都有特定的方向。

Desko和Zvoshnik设定理论参数，使早期宇宙的引力修正场产生类似暗物质的效应，从而确保今天观测到的CMB数据可以重现。这两个场会随着宇宙时间的推移而演化，最终引力会变成蒙德理论最初描述的那样。

美国宇宙学家Stacy McGaugh说:“这是一项革命性的成就。在过去的几十年里，人们很大程度上忽略了蒙德理论，因为它无法意识到斯科特和兹沃什尼克今天做了什么。”

一旦新的MOND模型解决了CMB的问题，它的优势立刻凸显出来。美国天文学家布伦特·塔利(Brent Tully)和理查德·费舍尔(Richard Fisher)在1977年发表的一篇论文中，提出了一个经验公式来描述旋涡星系的光度与自转曲线外速度之间的关系。从这个公式很容易得到“螺旋星系中所含的重子物质与其远距离自转速度的四次方成正比”的关系，称为重子塔利-费希尔关系(BTFR)。而MOND理论恰好能够精确推导出BTFR。

塔利-费希尔关系，类似于重子的塔利-费希尔关系(来源:维基百科)

暗物质根本无法预测这种关系。要想在λλCDM模型的框架内重现BTFR，天文学家必须从早期宇宙开始模拟星系。经过100多亿年的进化，模拟星系或许能够重现BTFR。但如果要严格重现BTFR，就要在模拟中加入非常严格的限制，对旋涡星系的演化机制做不那么严格的修改。直到现在，坚持λλCDM模型的宇宙学家都无法通过模拟完美重现BTFR。

缺席的暗物质

在类蒙德理论重新回到人们的视野之前，暗物质已经在宇宙学中扮演了30多年的主导角色。美国宇宙学家David Sperge表示，新的MOND模型过于复杂，新的相对论性MOND模型只有在“暗物质假设的形式非常复杂”时才值得考虑。学术界对λλCDM模型充满信心，2014年版《粒子物理评论》写道:“(宇宙学的)统一模型已经建立，似乎没有多少时间空来大幅修改这一范式。”这篇充满“旗帜”的演讲，很容易让人想起一个多世纪前的“两朵乌云”。这一次，类似的事情还会发生吗？或者，物理学家已经走了30多年了？

科学家一直在寻找暗物质，其中最有希望的候选者是弱相互作用大质量粒子(WIMP)。这种粒子只能通过弱相互作用和引力与其他物质相互作用，其质量可能在质子的1倍到1万倍之间，用常规观测方法无法发现。

然而，几十年来对暗物质的探测仅仅是一次次刷新了暗物质可能存在的下限。今年7月初，在Marcel Grossman国际广义相对论会议上，中国金平地下实验室的PandaX实验(简称“熊猫实验”)公布了PandaX-4T实验的首个暗物质搜寻结果，人类再次未能找到暗物质。相反，基于PandaX-4T的95天试运行数据，暗物质反应截面的上限又被降低了，这意味着理论上存在的WIMP更难被发现。这好像在嘲笑物理学家:“想找WIMP？你人类的精准度不够。”

PandaX-4T刷新暗物质反应截面上限(来源:中国科大新闻网)

对WIMP的搜索已经接近极限，对WIMP的搜索已经到了一个关键节点。很快，现有的大部分暗物质实验将在理论上搜索WIMP所有可能的质量范围。如果到那时还没有发现，要么现有的探测手段根本找不到WIMP，要么暗物质根本不是WIMP...或者暗物质根本不存在。

一些仍然坚持暗物质的宇宙学家逐渐转向了WIMP以外的粒子。强有力的竞争对手之一是axion ，它比WIMP轻得多。科学家认为，中子星的热核可以产生轴子，当重要官员到达中子星表面时，会转化为X射线光子。然而，科学家们还没有观测证据。在今年早些时候发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，科学家认为这种效应可以用来解释中子星更高的X射线辐射。然而，他们目前的数据精度还不够，他们打算用美国宇航局的NuSTAR做进一步的观察。与此同时，CERN的科学家将10米长的CERN轴子太阳望远镜(CAST)对准太阳，试图从那里寻找轴子踪迹。

核光谱望远镜阵列(来源:美国宇航局/JPL加州理工学院)

此外，一些科学家认为暗物质可能是复合粒子，“暗夸克”和“暗胶子”可以像夸克和胶子一样结合在一起，形成“暗核”。也有人认为暗物质根本不是粒子，也有可能是BIGBANG产生不久的原始黑洞。

不断前进的实验在不断缩小暗物质的可能空空间。英国伦敦玛丽女王大学替代引力模型专家泰莎·贝克(Tessa Baker)表示，如果暗物质探测器继续一无所获，“我们可能会看到人们对这种修改后的引力模型越来越感兴趣。”另一方面，Scottis和Zwoshnik说他们可以通过进一步观察星系团和引力波来测试他们的最新模型。

反正像蒙德理论和暗物质理论，这两个理论中最多只有一个解释宇宙的本质可能是正确的。而前者已经突破了最大的瓶颈，最有希望的暗物质候选者逐渐成为过去[/s2/]，一些科学家甚至转向了其他候选者，暗物质越来越像一个多世纪前本该是光传播介质的介质“以太网”。如果真的不像以太一样存在，那么MOND这样的理论能像相对论一样颠覆我们对宇宙的认识吗？让我们拭目以待。

让基础物理的风暴来得更猛烈些吧。

作者|王宇

参考文章:

https://physics.aps.org/articles/v14/143

https://aeon . co/essays/we-should-explore-标准宇宙学模型的替代方案

暗物质探测的最后位置，环球科学，2021年4月。

https://news.ustc.edu.cn/info/1048/76138.htm

暗物质会不会像以太一样，根本不存在？》

参考文件:

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1970ApJ...159..379 r/摘要

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1980ApJ...238..471 r/摘要

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/10.1086/166777