暗物質(zhì)可能不存在

朱夏緋 朱仲

摘要：暗物質(zhì)是近年來研究的熱點。自從上世紀(jì)三十年代由瑞士科學(xué)家茲維基提出暗物質(zhì)以來，全世界的科學(xué)家都在不遺余力地尋找暗物質(zhì)，可到目前為止，人們找到的還都只是一些疑似證據(jù)。本文通過分析牛頓和馬赫的水桶實驗，認(rèn)為一個物體的運動是相對于除其本身外宇宙中所有物體的相對運動。當(dāng)我們討論一個星系外圍天體相對于其所在的星系運動時，應(yīng)考慮其空間的運動，對宇宙中其它所有的天體的影響進(jìn)行加權(quán)。加權(quán)的結(jié)果我們會得到一個在做一定的旋轉(zhuǎn)運動空間;因此天體相對于其空間的運動速度大大的小于觀測到的運動速度，其與星系（星團(tuán)）質(zhì)量的矛盾，可能不需要用到額外引力源（暗物質(zhì)）而得到解釋。

關(guān)鍵詞：暗物質(zhì);水桶實驗;相對空間;星系

自從上世紀(jì)三十年代由瑞士科學(xué)家茲維基（Fritz Zwicky）提出暗物質(zhì)以來[1]，全世界的科學(xué)家都在不遺余力地尋找暗物質(zhì)，科學(xué)家們發(fā)展了各種各樣的理論模型，給出了許多不同可能的暗物質(zhì)候選者。當(dāng)前暗物質(zhì)主要候選者是運動速度遠(yuǎn)小于光速的冷暗物質(zhì)[2]。目前，美國、英國、法國、意大利、加拿大、日本等國家，已建立起10多個極深地下實驗室[3]。而研究課題最多、規(guī)模最大的是意大利格朗薩索國家地下實驗室，該實驗室深度為1400米，總?cè)莘e18萬立方米，目前有20多個國家的750多名科學(xué)家圍繞這個實驗室工作。日本于2010年10月在岐阜縣飛鰭市神岡礦山的礦井下，建設(shè)了XMASS地下實驗室。英國一個深達(dá)350米的地下實驗室，也于2010年4月正式啟動使用。各國積極興建極深地下實驗室的目的，就是希望能夠成為最早發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的國家。

盡管科學(xué)家已在探尋暗物質(zhì)上多方努力，但始終無從捉摸這個充斥在我們周圍，甚至漂浮在我們身體里的神秘物質(zhì)。如此神秘的暗物質(zhì)，不得不談?wù)勈窃趺磥淼摹?/p>

1932年，美國加州工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茲·扎維奇最早提出證據(jù)并推斷暗物質(zhì)的存在。弗里茲·扎維奇觀測螺旋星系旋轉(zhuǎn)速度時，發(fā)現(xiàn)星系外側(cè)的旋轉(zhuǎn)速度較牛頓重力預(yù)期的快，故推測必有數(shù)量龐大的質(zhì)能拉住星系外側(cè)組成，以使其不致因過大的離心力而脫離星系[5]。

弗里茲·扎維奇發(fā)現(xiàn)，大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運動速度，除非星系團(tuán)的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計算所得到的值的100倍以上，即存在額外的引力源，否則星系團(tuán)根本無法束縛住這些星系。如圖1[6]：

圖中縱坐標(biāo)V代表恒星運行速度，橫坐標(biāo)R代表到星系中心距離，實線為實際觀測結(jié)果，虛線是由可見物質(zhì)質(zhì)量估算的理論結(jié)果。本圖內(nèi)容為2019年的觀測分析結(jié)果，早期的觀測雖然也得出同類定性結(jié)論，但精度和完整性都遜色一些。

除去額外的引力源，支持暗物質(zhì)的還有引力透鏡[7]、子彈星云[8]、宇宙的結(jié)構(gòu)、重子聲學(xué)振蕩[9]等線索用暗物質(zhì)理論可以得到解釋。

本文主要討論額外引力源問題，先從牛頓的水桶談起。

牛頓的水桶實驗：用長繩吊一水桶，讓它旋轉(zhuǎn)至繩扭緊，然后將水注入，水與桶都暫處于靜止之中，再以另一力突然使桶沿反方向旋轉(zhuǎn)。水桶在剛剛開始旋轉(zhuǎn)起來的時候，整個水體由于慣性不會馬上跟著轉(zhuǎn)起來，水桶會轉(zhuǎn)得比水快很多，此時水面平靜如故，沒有發(fā)生凹陷;隨著水桶繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，水體跟著桶內(nèi)壁也開始轉(zhuǎn)動起來，隨著水桶的旋轉(zhuǎn)，由于水的黏著力，我們會看到水桶會帶動著水最終一起旋轉(zhuǎn)起來，相對桶內(nèi)壁來說水就慢慢變成靜止的了，而此時，水面發(fā)生凹陷;當(dāng)水桶內(nèi)壁停止旋轉(zhuǎn)后，水體繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，水面保持凹陷;最后水體也停止旋轉(zhuǎn)，水面恢復(fù)平靜。

牛頓認(rèn)為水桶實驗證明了空間的絕對性，水的運動傾向不依賴于水相對周圍事物的相對運動，而是取決于某個絕對參考系。如果運動都是相對的，沒有一個絕對參考系的存在，那么桶內(nèi)壁應(yīng)該看到水面是先凹后平，因為在桶內(nèi)壁眼里，水相對于自己是從轉(zhuǎn)動到靜止的。但是，實際上桶內(nèi)壁和我們一樣都看到了水面是先平后凹的，這就是絕對空間存在的證明。絕對空間，就其本性來說，與任何外在的情況無關(guān)，始終保持著相似和不變。

我們認(rèn)為：牛頓的絕對空間是不存在的，我們直接觀測到的天體的運動實際上是與牛頓絕對空間的運動相類似;馬赫認(rèn)為物體的運動是相對于除其本身外宇宙中所有物體的相對運動，我們支持馬赫的觀點，即相對于其相對空間的運動（相對空間為除其本身外宇宙中所有物體構(gòu)成）。

已知現(xiàn)有的可觀測的宇宙直徑有數(shù)百億光年，其中天體的質(zhì)量大小相差巨大，距離上更是相差甚遠(yuǎn)，甚至有的天體本身都已經(jīng)消失了其作用都還未傳遞到。因此對于不同距離和質(zhì)量的物質(zhì)對具體的某一物體運動的影響應(yīng)有所不同。

假設(shè)1：宇宙中只有A、B二物體，如圖2：

觀測到A與B作相同的向下運動，因此A對于相對空間的運動為0。（假設(shè)觀測者質(zhì)量小或距離遠(yuǎn)，對此空間幾乎無影響）

假設(shè)2：觀測到當(dāng)A向下運動時，B停止不動，如下圖3：

此時A對于相對空間的運動即為A相對于B的運動，即VA（空間）=VA（觀測）-VB（觀測）

其中VA（空間）為物體A對于相對空間的運動速度，以矢量表示;VA（觀測）為觀測到的物體A運動速度（相對于觀測者），以矢量表示;VB（觀測）為觀測到的物體B運動速度（相對于觀測者），以矢量表示。（以下同）

假設(shè)3：宇宙中的物體以相同的角速度運動，如下圖4：

此時觀測到A與其余所有的物體，以相同的角速度ω繞中心旋轉(zhuǎn)，整個宇宙空間都在以角速度ω旋轉(zhuǎn)，雖然觀測到A物體在以ω×R的速度在運動，但實際上A相對于相對空間的運動為0。

我們把運動擴展到真實的宇宙空間，來考查物體A相對于宇宙空間的運動。設(shè)有一物體A處于某一星系的外圍，如圖5所示：

我們可以看到，觀測到的物體A在星系1中，因此星系1對其的影響較大;星系2，距離較遠(yuǎn)，影響次之，（當(dāng)距離很遠(yuǎn)時可并入遠(yuǎn)方星系）;而遠(yuǎn)方的星系（由宇宙中其它的物體組成）雖然質(zhì)量巨大，其影響不可忽視，但相較于星系1、和星系2，影響可能較小。

對于遠(yuǎn)方的星系由于距離遙遠(yuǎn)，且運動方向不統(tǒng)一，我們可以假設(shè)其相對于觀測者的運動為0。估算出其總質(zhì)量（相當(dāng)于宇宙質(zhì)量）和平均距離，進(jìn)行計算。

對于星系2，要考慮其與A的距離大小，當(dāng)距離較大時可將其考慮為一個質(zhì)點，按其觀測到的中心運動速度、總質(zhì)量、和中心與A的距離作為一個物體進(jìn)行簡化計算。當(dāng)距離A較小時，可能需要較為詳細(xì)的計算。

相對于物體A，星系1總質(zhì)量相較于整個宇宙可能很小，但由于其靠近物體A，對物體A的影響應(yīng)該較大。從圖5中可以看出，物體A在做環(huán)繞星系中心的圓周運動，星系1的其它天體也主要在做環(huán)繞星系中心的圓周運動;當(dāng)我們求VA（空間）時，可具體計算物體A與星系1的其它天體的相對運動（VA（觀測）-Vi（觀測））并計算其加權(quán)值f（iA）;

或者將其簡化為一個旋轉(zhuǎn)的圓盤，計算出其平均轉(zhuǎn)速ω，VA（空間）=（VA（觀測）-ω×R）;再由星系1總質(zhì)量，A與星系1中心的距離計算其加權(quán)值。

將物體A相對于星系1、星系2、遠(yuǎn)方的星系的運動相加（加權(quán)），即可得到物體A對于相對空間（整個宇宙）的運動速度。

從圖中可以看出，物體A在做環(huán)繞星系中心的圓周運動，星系1的其它天體也主要在做環(huán)繞星系1中心的圓周運動，因此加權(quán)后相對于物體A的宇宙空間總體上是在做一定的旋轉(zhuǎn)運動，且運動方向與A的運動方向相同，物體A相對于整個宇宙空間的運動速度，應(yīng)等于我們觀測到的物體A的運動速度減去空間的運動速度，從而大大的小于觀測到的運動速度，如圖6所示。

圖中縱坐標(biāo)V代表恒星運行速度，橫坐標(biāo)R代表到星系中心距離，實線為實際觀測結(jié)果，虛線是由可見物質(zhì)質(zhì)量估算的理論結(jié)果;圖中粗實線表示空間的旋轉(zhuǎn)運動。

因此由我們觀測到的天體運動，其相對于宇宙（相對空間）的運動小于我們的觀測值，其與星系（星團(tuán)）質(zhì)量的矛盾，可能不需要用到額外引力源（暗物質(zhì)）而得到解釋。

順便提一下我們所在的太陽系，由于銀河系的旋轉(zhuǎn)平面與太陽系的旋轉(zhuǎn)平面幾乎是垂直的，所以銀河系的旋轉(zhuǎn)對太陽系的影響是微乎其微的，只會有較小的影響。如圖7：

結(jié)論

1、一個物體相對于相對空間的運動是相對于除其本身外宇宙中所有物體的相對運動;宇宙中其它物體對其影響應(yīng)通過加權(quán)計算。

2、一個星系外圍天體相對于其所在的星系運動時，應(yīng)考慮其空間的運動，對宇宙中其它所有的天體的影響進(jìn)行加權(quán)。加權(quán)的結(jié)果得到一個在做一定的旋轉(zhuǎn)運動空間;因此天體相對于其空間的運動速度大大的小于觀測到的運動速度，其與星系（星團(tuán)）質(zhì)量的矛盾，可能不需要用到額外引力源（暗物質(zhì)）而得到解釋。

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[9]趙成.利用宇宙大尺度結(jié)構(gòu)限制宇宙學(xué)[D].北京：清華大學(xué)，2019：15-18.

作者簡介：朱夏緋，性別：女，民族：漢，籍貫（省市）：福建福州，出生年月：1996年6月，研究方向：化學(xué)教育學(xué)，職稱：無，學(xué)歷：碩士研究生。