提问:是否存在着这样的可能:暗物质并不存在且引力理论是错误的?
暗物质有可能不存在,并且我们关于引力的理论也有可能是错误的。有许多在理论上做出的可靠尝试,比如曼海姆的共形引力f(R)理论,莫法特的MOG / STVG理论甚至尝试以新颖的方式使用爱因斯坦的理论,例如库柏斯托克。请注意我没有将臭名昭著的MOND理论列入其中,尽管它是最著名的,但实际上它只是一个适合(某些)星系自转曲线的经验公式,不是每一个靠想象力衍生出的引力修正模型都能做到至少和标准宇宙模型一样有效、甚至更好的。
图解:在宇宙学中,暗物质,是指无法通过电磁波的观测进行研究,也就是不与电磁力产生作用的物质。人们目前只能透过重力产生的效应得知,而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。
这是一个艰巨的任务。宇宙学的标准模型能够正确处理很多事情,因此很难提出可与其相提并论的合理的重力替代理论。
被解释为暗物质的观测试验包括以下内容:
星系自转曲线:曲线的“平坦”形状有点像红鲱鱼。虽然牛顿的凸出和圆盘模型也可以产生同样平坦的曲线,但是对于牛顿星系而言它的旋转速度太快了、以至于牛顿星系无法不飞散。
结构形成:所谓的物质功率频谱,显示出不同尺度下结构的统计相关性(即在自重作用下物质的结块)并且对“正常”物质和暗物质的比率非常敏感(它具有压力、可以以声波的形式消散能量,并且还可以对光做出反应)。
所谓宇宙微波背景辐射的声谱,能显示出其温度的微小波动,这与正常物质与暗物质的团聚有关。
图解:宇宙微波背景全天图,由威尔金森微波各向异性探测器9年成果绘制
同时,有大量的观测试验表明爱因斯坦的引力体系在多种情况下的表现有多么正确。例如:
众多精密的航天器实验证实太阳光的弯曲和太阳系中夏皮罗延迟了无线电波的现象密切相关。
水星的近日点幅角的增加不仅对重力的线性效应敏感,而且对某些非线性(重力作用于重力)贡献也很敏感。
在相邻的二元脉冲星中观察到的能量损失率与爱因斯坦理论预测的相一致,因为能量以引力波的形式损失。
最近几年观测到的引力波事件表明,即使在强重力状态下,爱因斯坦的预测也与观测一致。
图解:宇宙的历史。根据推测,大爆炸刚发生后的超光速暴涨过程产生了引力波。
此外,爱因斯坦的理论在数学上非常“严格”。它只有很少的假设(几乎只有一般协方差、局部洛伦兹-庞加莱不变性和弱等价原理),更改这些假设几乎可以使理论家陷入困境(并预测与实验相矛盾的事物)。
这些只是建立改良的引力理论的尝试必须克服的部分障碍。那里有一个满是墓碑的假想墓地,碑上刻有失败的修正重力理论方程。
但是人们并没有放弃,特别是因为到目前为止还没有提出暗物质的非引力效应的理论;并且假定的暗物质含量遵循可预测的模式,这极大地暗示了自然运行规律,而不是仅仅是随机的暗物质团以正确的方式凑到一起。
最重要的是,标准模型有其自身的缺点(到目前为止):星系形成问题,哈勃参数局部和宇宙学估计之间的矛盾,CMB声谱中的异常,这表明新的方向可能是必须的。也可能不是,也许这些都只是可以解决的小问题。时间会证明一切。
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