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暗物质的“模型”(dark matter)。
……前面已经提到,仅在天体物理学领域,就存在一系列令人印象深刻的难题。例如,星系的旋转速度过快。根据观测到的质量,其质量仅为抵消离心力所需质量的三分之一到五分之一。而在星系团中,情况更为严重。这一问题早已存在,早在几十年前,弗里茨·茨维基就已首次指出。
……该如何解决?是否需要修改牛顿定律?有人简单地提出,星系、星系团乃至整个宇宙内部,可能隐藏着一种此前一直未被观测到的质量(对引力场有贡献)。这种质量可能是什么?例如,可能是过于暗淡的恒星。这类天体被赋予了一个名称:MACHOs(大质量致密晕天体,即位于星系晕区的致密且质量巨大的天体:位于星系盘内外的星系空间区域)。探测方法:通过前景天体遮挡背景光源(主要是恒星)来实现。方法是持续监测大量恒星,识别出光度下降现象,并通过分析其随时间的变化特征,以区分出与变星波动不同的信号。
结果:令人失望。
……另一种假设是“奇异粒子”,例如具有微小质量的中微子。但至今尚未证实中微子确实具有质量。
……另一位天体物理学家弗朗索瓦兹·康布斯青睐的候选者是极低温的冷氢气,几乎无法被观测到。
……这种暗物质可以解释那些与星系和星系团相关的强烈引力透镜效应(引力弧)。许多人认为这些效应是“不可辩驳”的证据,证明了这种尚未被探测到的物质的存在。
……于是,只要在宇宙的适当位置恰当地“撒上”暗物质,就能解释任何现象,甚至其他一切。因此,这实际上是一种完全“为解释而解释”的理论。有些人甚至根本不在乎解释这种成分的起源、性质、来源,或其动力学行为,仅仅宣称这是一门“新天文学”,即“我们如今正在绘制不可见之物的地图”。一些研究团队正在致力于绘制暗物质分布的地图。
……这种暗物质能够解释宇宙大尺度结构的形成,并因此“合理化”了其存在。在其他地方,通过构建特定的暗物质分布,不仅能够解释星系的稳定性,还能解释其旋转曲线的形态。所有这些成果大量发表,毫无障碍(如《天体物理学杂志》、《天文学与天体物理学》等)。人们区分出“冷暗物质”和“热暗物质”。
因此,某些推测似乎“合理”。
宇宙学常数与宇宙年龄的问题
首先,我们追溯其起源。爱因斯坦在提出场方程后:
S = c T
……他立即着手构建一个宇宙模型(1917年)。但由于他当时并不知道宇宙并非静态,因此试图构建一个静态宇宙模型。然而,他遇到了诸多困难,于是前往拜访法国数学家埃利·嘉当,后者对他说:
- 你可以修改你的方程。我建议:
S = c T - L g
其中,g 是度规张量,L 是一个常数。这样,方程仍保持张量形式,你的解也依然在坐标变换下保持不变。
-
但这个常数 L 的物理意义是什么?
-
这个问题,亲爱的,就交给你了。我可是数学家啊……
……从场方程出发,在曲率较小、热运动速度远低于光速 c 的假设下,可以重新推导出牛顿力学的运动规律。此时,牛顿力被赋予了一个修正项:
……这个修正项与距离成正比。人们常称之为“真空的排斥力”(或吸引力,取决于常数 L 的符号选择)。
……正是这种真空的排斥力,构成了爱因斯坦静态宇宙模型得以维持平衡(尽管是不稳定的)的关键。但很快:
-
埃德温·哈勃的发现揭示了红移 z,被解释为宇宙整体膨胀的普遍运动(多普勒效应)。因此,静态宇宙模型不复存在。
-
同一时期,俄国物理学家弗里德曼推导出了不依赖宇宙学常数的非静态场方程解。
爱因斯坦对此极为不满,于是退居帐篷中,喃喃自语:
- 如果我知道宇宙并非静态,我早就比弗里德曼更早发现它了!
……于是,宇宙学常数在随后的几十年里几乎被彻底遗忘。有些人甚至提出论据,主张其必须为零。事实上,由于其作用范围极广,只有当宇宙的特征尺度 R(t) 达到“足够大”的值时,它才会显现其影响。
……通过测量红移和星系的径向速度,可以校准哈勃定律,该定律源自场方程的解,其核心内容是:
退行速度与红移 z 成正比
比例常数称为哈勃常数 H₀。
……为不熟悉此概念的人补充说明一下。在实验室中,一个相对于测量仪器静止的原子会发射出波长为 λ 的辐射。而当同一原子处于运动状态时,由于多普勒效应,其波长变为:λ' = λ + Δλ
我们定义:
| Δλ |
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| λ |
| Δλ |
|---|
| λ |
若 Δλ > 0,表示光源远离:红移。
若 Δλ < 0,表示光源靠近:蓝移。
哈勃常数也出现在宇宙膨胀尺度 R(t) 随时间变化的规律中:
……实际上,弗里德曼提出了三种模型,它们仅在对宇宙遥远未来的描述上有所不同。
在下图中,由于我们“足够远离”宇宙遥远的未来,三条曲线几乎重合。
……因此,根据这一模型(宇宙学常数为零),只要知道宇宙膨胀规律和哈勃常数,就能立即推算出宇宙的年龄。
……设想我们拍摄了一张手榴弹爆炸的瞬间照片。曝光时间会带来一定的模糊,从而可估算出物体的运动速度,进而仅通过一张照片就推算出爆炸开始的时间。当然,宇宙大爆炸与手榴弹爆炸在动力学上完全不同:引力作为减速力,会逐渐减缓宇宙的膨胀。
……宇宙中的天体具有本动运动,类似于气体分子的热运动。因此,人们也称其为“宇宙流体”,即一种由星系构成的“气体”。
……为了准确估算哈勃常数,必须将测量建立在足够遥远的天体上,这些天体的运动速度足够快,从而超过平均速度。