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暗物质是什么?暗物质会破坏物理吗?
发布时间:2019-11-29
 

暗物质实际上把星系结合在一起,但有个问题,没有人知道暗物质是什么。

银河系的旋转速度如此之快,以至于它应该将其恒星散射到太空中。根据我们从我们所能看到的一切计算出的结合引力的大小,我们只能计算出将恒星保持在轨道上所需质量的10%。坦率地说,我们不了解宇宙中至少80%的物质,要么我们目前对重力的理解是错误的。这就是暗物质的奥秘。

暗物质是什么?暗物质会破坏物理吗?

在我们弄清楚暗物质到底是什么或不是什么之前,我想给出完全独立的证据,证明它的存在,引力透镜效应。由于广义相对论,我们知道落光是引力场的弯曲测地线。把一个强大的引力场放在光源和观察者之间的轴上,你基本上有一个透镜。星系团一直在这样做,把背景宇宙变成一个由伸展的和重复的星系组成的温室镜子。由此我们可以精确地计算出需要多少质量才能引起观察到的透镜效应。但是我们再次发现,星团的质量似乎比我们在恒星中看到的要大得多。知道了这一点,总结一下暗物质的实际可能性。

一种最好的情况是,它来自我们已经发现的粒子,这种粒子的形式非常难以检测。第二,不是很大,暗物质是一种粒子,超出了我们目前对粒子物理的理解。第三个,更糟糕的是我们实际上没有遗漏任何质量。引力只是在星系和星系团的巨大尺度上表现不同,所以广义相对论是错的。

让我们从第一种可能性开始。粒子物理的标准模型基本上是已知基本粒子和场的周期表。它支撑着我们对亚原子宇宙所知的一切。如果暗物质存在于这个模型中,它的质量可能需要来自质子和中子。但它们不能与光相互作用。如果这是暗物质,银河系需要大量重子物质,比如恒星,但是它们被压缩得基本上看不见。这是可能的吗?事实上,的确如此。它们被称为machos,巨大而紧凑的光环物体。它们基本上是被压缩的,紧凑的,死的恒星,黑洞,中子星,褐矮星等等。它们很难看到。但我们可以看到这些家伙,至少用引力透镜能看到一点。校准必须是完美的。但是比如说当一个黑洞从我们和一颗更遥远的恒星之间穿过时,我们有时会看到那颗恒星的光亮。天文学家花了数年时间以这种方式计算machos数量,他们发现了很多,但还不足以解释所有的暗物质。所以选项一不在,这意味着我们只剩下两个不好的选择。

要么粒子物理是错误的,要么至少是非常不完整的,因为我们在宇宙中缺少80%到90%的质量,要么爱因斯坦是错误的。银河系旋转的速度非常快,问题是星系边缘的恒星运动的速度和靠近中心的恒星一样快。但它们的移动速度应该较慢,因为那里的重力应该较弱。根据牛顿的理论,重力随距离源的平方成比例地减弱。这种关系在太阳系的尺度上是绝对正确的。但是整个星系呢?难道我们所看到的暗物质只是来自重力,在真正的巨大尺度上表现出不同的行为吗?事实证明,如果你简单地改变牛顿的重力,事情就会解决。

给重力更多的停留力,让它下降而不是距离平方,然后你甚至不需要暗物质。只有星星才能给你足够的引力。原始的修正牛顿动力学假设,它是广义相对论的延伸,试图给出重力的基本关系。1 / R²很小,1 / R很大。但你不能仅仅打破广义相对论重新开始。

暗物质是什么?暗物质会破坏物理吗?

任何替代理论都必须复制所有爱因斯坦理论的验证预测,并能够解释暗物质。修正版的gr实际上可以做得很好,特别是预测星系内的轨道。但他们最终很难获得所有观察到的效果。它们要么需要一些严重的微调,要么你必须重新加入一些实际的暗物质粒子,这会破坏其目的。但是,在改变重力的棺材里还有一颗更大的钉子。实际上是两个星系团互相撞击。气体从恒星中被剥离出来,现在生活在星系之间。在子弹状星系团中,大部分质量实际上都在气体中。因此,如果暗物质真的来自行为怪异的引力,那么星团的引力应该集中在气体上。但如果暗物质是一种看不见的粒子,我们认为它可能就是这种粒子,那么暗物质就应该像恒星一样直接穿过。我们如何测试这个?引力透镜。

根据来自更遥远星系的光线扭曲绘制质量图。我们看到在子弹状星系团中,暗物质和恒星在一起。这告诉我们物质是真实的粒子,而不仅仅是破碎的重力。爱因斯坦是正确的暗物质是存在的,它代表着如果不被打破,至少是不完整的粒子物理学。但是我们知道些什么呢?它很慢而且很重。这两点是相辅相成的。它必须是非常缓慢的移动,或者是寒冷的,因为我们知道暗物质在引力作用下聚集在一起形成星系和星团。知道早期宇宙中产生CMB的热而光滑的等离子体吗?为了从橙色等离子体的高度平滑的海洋到今天的高度结构化的星系团和星系的宇宙,必须有足够的引力将物质拉到一起。没有足够的常规物质来做这个。暗物质不仅将星系结合在一起,也是形成星系的主要力量。

没有暗物质,就没有星系。即便如此,星系也只能在暗物质粒子冷、重、弱相互作用的情况下形成。弱相互作用的大质量粒子,wimp,实际上是指一种特定的和流行的竞争者wimp是一种可能由超对称性产生的粒子家族。这是对粒子物理学标准模型的一种时髦的扩展。现在,超对称性有很多。但是,简而言之,这个理论的版本预测了一组与我们熟悉的标准模型粒子相对应的粒子的存在,但是这些粒子的质量要大上百倍。其中一些符合暗物质的条件。深入到量子场和弦理论的深处,你会发现各种奇怪的鱼,WIMPs,轴子,中性中微子。其中一些可能确实存在,其中一些可能是暗物质。但在我们发现粒子之前,一切都是数学幻想。我们在地球上有探测器,用来捕捉暗物质粒子和原子核之间难以想象的罕见碰撞所产生的辐射。我们还观察天空中同样难以捉摸的伽马射线,它是暗物质粒子在太空中相互湮灭时产生的。