神秘的暗物质

任淇钦 贾佳昕 徐美飞

摘 要：暗物质是一种物质形式，它被认为大约占据了宇宙物质的85%并且是宇宙总能量密度的四分之一，大多数暗物质被认为是自然界中的非重子物质，其可能是由一些尚未发现的亚原子粒子组成。各种天体物理学的观测暗示了它的存在。

关键词： 暗物质;暗能量;相对论

爱因斯坦的广义相对论刚刚诞生100多年，迄今为止，它很好地预测了天体与时空场之间的相互作用。然而，在一些棘手的问题上，广义相对论与量子力学的结论并不一致。几十年来，这些差距一直困扰着研究人员，并催生了一些试图解释这种不协调的假设。

暗物质和暗能量是解决该问题的主要替代方法，但到目前为止，它们还仅仅是替代。有些物理学家不接受这类解释。阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）的数学和信息学教授埃里克·韦林德（Erik Verlinde）就是其中之一。他提出了一种新的理论来为引力力学提供一种新的视角，从而触动了物理学世界的神经。

2009年12月8日，他在一个专题论文会上介绍了他关于如何推导出牛顿经典力学的新理论。之后，2010年1月6日他在网上发表了论文《引力的起源与牛顿定律》（On the Origin of Gravity and the Laws of Newton）。其中他给出了一个新的假说，认为引力并非是一种基本力，而是对特定环境组成的一种反应。与其说引力是基本力，不如说引力实际上可能是量子体位置的结果，类似于温度是从单个粒子的运动中导出的方式。

“爱因斯坦的理论可以看作是从更微观的角度得出的，”Verlinde说。“我们了解的黑洞在爱因斯坦的理论看起来更像是热力学定律，而我们所知道的热力学定律是可以通过思考描述物质的微观成分而得到。”

Verlinde专注于量子相互作用来解释广义相对论和量子理论之间的不协调。他的理论离完成还有很长一段路要走，但到目前为止，它还是站得住脚的，特别是他在反对暗物质的观点上提出了一些有力的论据。

慢慢的，物理学家们痛苦地意识到了这样一个事实：当考虑到螺旋星系所包含的物质的数量，以及因此而产生的引力时，螺旋星系的旋转速度要比它们应该的速度要快。当前的理论认为，恒星、行星、尘埃和其他物质都应该以其中一些物质旋转的速度被抛向太空。但正是因为它们不是，所以物理学家假设我们看不见或无法探测到的“暗物质”造成了额外的引力，将这些星系聚集在一起。据说这种物质占宇宙的25%，但是Verlinde相信可能有另一个答案可以解释预期和观测到的旋转曲线之间的偏差。他说：“我们观察到的是，我们看到的星系旋转曲线的偏差，是通过观察我们看到的物质得出的，似乎总是在一个特定的加速度下发生。”

这个特定的加速度恰好在星系的距离和它远离我们的速度之间的关系中扮演着重要的角色，这是由宇宙的膨胀所决定的，被称为哈勃定律。2017年，亚历山大·查鲁姆·埃尔贝泽（Alexandre Chaloum Elbeze）在《现代物理学杂志》（Journal of Modern Physics）上发表了一篇论文，概述了宇宙的膨胀率是如何通过一个新参数与天文学家测量的星系旋转曲线联系起来的。

他说：“这一事实多少暗示了它与宇宙的哈勃膨胀有关，目前这是由于暗能量的存在”。

哈勃常数描述了观测到的宇宙加速膨胀。这种加速是无法解释的，但它被归因于“暗能量”，“暗能量”是一个可以用来解释暗物质的概念。

“暗能量是我的理论中相当重要的一部分，”Verlinde说。“我不会废除所有被称为‘黑暗’的东西，我只是通过思考暗能量的影响来解释我们现在所说的‘暗物质’，而暗能量实际上会产生同样的效果。”

值得注意的是，Verlinde是作为弦理论学家，从一个特定的角度来处理暗物质的问题，并努力将其纳入这个角度。

Van Raamsdonk说：“这种可能性很有趣，但就我所知，它并不是建立在精确的数学模型上的。”相反，他是在用自己的直觉拼凑出一套想法，并为事情如何运作提供一个故事。

到目前为止，Verlinde坚信的观点已经被证明在数学上和观测上是正确的——至少在星系旋转曲线上是正确的。真正的目标将是建立一个描述星系旋转之外的理论。法兰克福高等研究所（Frankfurt Institute for Advanced Studies）的研究员萨宾·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）表示，描述早期宇宙的演化将是一个重大挑战。

目前，包含粒子暗物质的理论正确地预测了宇宙微波背景下观测到的温度变化。“不幸的是，Verlinde提出的引力模型不允许进行必要的分析来证明其有效性，至少现在还不允许，”她在福布斯的一篇文章中写道。

Verlinde意识到这个年轻理论的缺点，但他有信心在未来解决这些问题。

“我主要关注于试图解释这些旋转曲线，但是暗物质的概念已经被用在试图理解早期宇宙的许多其他方面，”Verlinde说。“我必须解释星系是如何形成的，以及我们在宇宙微波背景中看到的这些波动。如果我想描述宇宙的演化，我下一步必须计算更长的时间尺度上正在发生的事情。”

在全世界推广这个想法对Verlinde来说是一项艰巨的任务。考虑到这个想法是如此强烈地违背了大众的信念，即使在他自己的队友中，他也只有少数几个盟友。

“我必须把我的想法卖给不同的听众，不仅是宇宙学家和用其他方式处理暗物质的人，还有我的弦理论同事，”他说。“我认为，人们正慢慢开始看到我的推理逻辑的好处。”

“但我认为这是一个比仅仅假设暗物质存在更好的理论。因為如果暗物质有那么多种形式，人们可以想象它的存在，而且这些理论有一大堆，没有人真正知道它是什么，也许所有这些都是错的。”

无论Verlinde的理论在追求理解的过程中如何发展，其结果都有一些令人兴奋的前景。

“无论如何，试图理解引力和量子纠缠之间的这些新联系的意义是非常令人兴奋的，我们中的许多人都在努力工作，以看到这将导致什么，”范·拉姆斯东克说。“即使Verlinde对暗物质的具体解释并不正确，我们已经在学习关于引力和黑洞的新知识，我很乐观，我们将会学到一些关于宇宙学、暗能量或大爆炸的令人兴奋的东西。”

参考文献：

[1]刘朝阳，相对论的根本问题概述 [J]. 南昌大学学报（理科版）. 1982 （03）.

[2]朱德明，关于相对论中温度变换的争论 [J]. 大学物理. 1986 （11）.

[3]郭萌，暗物质天体存在的可能性及其观测 [D]. 东北师范大学. 2008.

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