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为什么宁愿相信看不见的暗物质存在,而不去怀

发布时间:2020-01-03   来源:baidu.com
 

宇宙学中常说的质量缺失,就是暗物质问题,用暗物质理论去解决宇宙中那一部分能看见引力效果,但却看不见的物质。有些人就会考虑,

既然它们看不见、摸不着,我们也无法感知到它,为什么这么坚信其存在,还花费时间去寻找它?为什么我们不着手去改变我们的理论呢?也就是提出一些新的替代方案或理论。

说真的,我们能想到的,科学家也想到了,也去这样尝试了。但是往往结果不那么令人满意,怎么说呢?有种拆东墙石笼网补西墙的感觉,解决了质量缺失问题,缺带来了其他更多,更大的问题。下面就说下,为什么坚信神乎其神的暗物质,而不去修改理论?

宇宙中包含了万物,有看得见的看不见得,像极了一个非常复杂的蛋糕。今天的宇宙经过数十年的演化,其组成成分已经极其复杂。光看表面,我们是看不出来任何信息。

如果我们想看清楚这块宇宙蛋糕的组成成分,就必须将蛋糕切开,从一个更深入角度来看待整个事情。只要我们有合适的工具,就可以对其一小部分进行复杂的研究,就能知道这块蛋糕是由什么做的。

但是如果我们真的想要理解整个宇宙蛋糕,不仅仅要知道它里面有:面粉、馅料、果酱、奶油和糖霜,这些配料。还要知道它们是如何一步一步组合在一起的。

如果我们正确地理解了以上的信息,我们就应该能够想出一个食谱来重新作出这个宇宙蛋糕,并且实验和模拟应该能可靠地重现一个看起来、闻起来和尝起来都和我们正在研究的这块宇宙蛋糕完全一样。

在过去的一个世纪里,人们对宇宙进行了非常深入的研究,我们现在不仅在宏观层面上、还在非常复杂的细节上知道了宇宙的样子。我们知道星系是如何在整个宇宙中分布的:它们是如何聚集在一起,形成星群、星系团、超星系团和丝状状结构。

我们还有很多其他关于宇宙的观察数据,包括(但不限于)宇宙微波背景,碰撞的星系团,遥远的Ia型超新星的亮度,轻元素丰度的测量,宇宙的哈勃膨胀率,恒星,星系和球状星团的年龄限制,宇宙在大尺度上的各向同性和均匀性,以及在数十亿光年范围内观测到的平坦度、温度和密度均匀的特性。

如果我们真的了解了宇宙在过去发生什么,我们就能够运用我们对物理定律的最好理解,从一些初始条件开始,然后运行一个模拟程序,就可以得出一个在宇宙学上与我们所观察到的宇宙无法区分的格宾网模拟宇宙。意思就是说,我们知道了宇宙的成分,也知道了其发展的规律,我们就可以模拟一个与现实宇宙完全一样的宇宙。这也是宇宙学研究的过程。

通过模拟,我们发现只要满足以下要求,才能得出一个与真实的宇宙“蛋糕”一样的蛋糕:

宇宙大爆炸由广义相对论支配,宇宙的总能量密度等于临界密度,大约4.5%的能量密度由正常物质(质子、中子和电子)组成,少量的能量密度以辐射(光子)的形式存在,另一小部分(不到1%,但可能多达0.3%)以中微子的形式存在,约22%的能量密度以暗物质的形式存在剩下多达73%的能量密度以暗能量的形式存在。此外,还有一些遗留的谜题,例如:磁单极子,还有一些奇异粒子的消失,宇宙为何这么平坦、温度这么均匀,则通过加入暴胀理论来解决这些问题,宇宙暴胀也作为了一种建立热大爆炸的方式。

我们做出来的蛋糕看起来很不错,但还是有一些需要调整的地方。有一些细节在小尺度上的结构与真实的宇宙不太匹配(比如,单个星系和更小的尺度)。还有一些最古老的球状星团的年龄可能存在一些问题,它们看起来可能与宇宙年龄一样古老,甚至比宇宙的年龄还大几个百分点。

换句护栏网话说,我们已经得到了一个外观搭配很好的蛋糕,但他的味道可能还有点欠缺,或者不够甜。我们希望做出来的蛋糕再好一点,继续完善这个宇宙蛋糕。

一直以来有很多替代模型的出现想来解决这个问题。它们确实够甜,解决了部分问题。例如:想通过修正引力来解决暗物质问题。

但最大的问题是:它们解决了某些问题,但又带来了更大的问题。通过这些宇宙模型,做出来的可能都不是一块蛋糕。

暗物质真的存在吗?或许我们不需要暗物质?所有暗物质的替代方案都面临同样的问题,它们解决了暗物质问题,蛋糕确实甜了,但新的问题又会接踵而来。

虽然我们现在确实可以做出宇宙这块蛋糕,但还不是那么完美,在暗物质问题上还是有些瑕疵。我们除了知道暗物质的属性(能量密度,引力相互作用,没有强或电磁相互作用,高度受限的自我相互作用截面等等)以外,我们还不确定它是什么。但事实是:就我们目前所知道的,没有暗物质,我们就不可能在宇宙中存在。

如果下次有人提出了另一种暗物质的解决方案,我们对它的审查是:看它能否重现整个宇宙,解释目前所观测到的一切现象:包括宇宙微波背景,观察到的宇宙扩张速度,宇宙大规模结构和轻元素丰度。如果答案是肯定的,那么宇宙学将会有一个惊人的突破!

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