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天文学家们在漫长的夜晚通过望远镜观察宇宙的美丽奇观,曾经注意到这样的事情:银河系的恒星像任何其他星系一样,以不同的周期绕着它们的中心旋转。也就是说,星系的行为不像固体旋转物体。每颗恒星都以不同的速度移动,太阳系中的行星也是如此。而看起来,事情就应该如此,一切都是正确的。

就行星而言,我们非常清楚轨道半径和周期之间的关系,因为约翰内斯·开普勒以惊人的准确性描述了这一关系:轨道周期的平方与平均轨道半径的立方成正比。完美的。

开普勒发现的这个数学定律被称为开普勒第三定律。牛顿根据他的万有引力定律非常简单地解释了这些定律。今天,开普勒第三定律是行星学和宇宙学的支柱之一。毕竟,它可以很容易地从引力理论的基础上推导出来。

星星不是这样旋转的!

但过了一段时间,天文学家意识到星系中旋转的恒星并不遵守开普勒定律。

毕竟,它应该是这样的:距离银心很远的恒星应该移动得很慢,而且距离银河系核心越远,速度就越慢。然而,事实上,在一定距离后,并没有观察到这种速度下降!相反,速度的变化或多或少有规律性,具有某种恒定的平均系数。有时甚至观察到速度明显超过非常遥远恒星的平均系数!

这一切看起来都很荒谬。并违反了我们拥有的最美丽的法律之一!该怎么办?或许我们应该承认观察结果是幻觉,并对此冷静下来?科学家们深思。他们得出的结论是,这个问题不太可能自行解决,并决定对这种耻辱提出某种解释。

他们甚至想出了其中的两个。受尊敬的公众的选择。

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第一个解释很简单:我们所有的引力理论都是毫无价值的,而且都是错误的。牛顿、爱因斯坦和开普勒第三定律的所有计算都只不过是一种近似,在很大的范围内不起作用。我们只需要修改我们的理论,使其在行星尺度和星系尺度上都有效。这个假设被称为“修正牛顿动力学”。

对于这种异常现象的第二种可能的解释是,引力理论实际上是相当完美的。我们只是使用了错误的数据,因为有些东西我们没有看到。如果我们假设大量质量分散在整个银河系(而不仅仅是核心),这改变了最遥远恒星的速度,那么就很有可能解释恒星的经验行为。

但后来事实证明:为了解释恒星行为的异常,银河系的质量必须比我们看到的大大约 10 倍!这意味着,如果这个解释正确,那么银河系 90% 的质量对我们来说是不可见的。而我们观测到的所有恒星、尘埃和气体的质量仅为银河系真实质量的 10%!

介绍暗物质

因为它是我们无法以任何方式探测到的物质(它不是灰尘或气体,因为它们是由我们的望远镜在不同波长下探测到的),所以它被称为“暗物质”。它的存在虽然看起来很奇怪,但却是当今对所观察到的效应最常见的解释。尽管实际上这仍然只是一个假设。

如果存在的话,银河暗物质确实不寻常。它之所以看不见,并不是因为它像煤炭一样黑暗。是的,一块煤可能很黑,但它仍然会反射光并根据温度发射红外波长。我们可以使用对这些波长敏感的特殊仪器看到这种辐射。

但我们用红外线、无线电波、微波、X射线或紫外线波长观察太空的望远镜都没有探测到哪怕是一小块暗物质。

这意味着它不会以任何方式与电磁场相互作用。如果它存在,那么与宇宙其他部分发生的唯一相互作用就是引力。

这一假说之所以在科学界最被接受,是因为星系的旋转速度并不是暗物质的存在可以解释的唯一方面。

重力确认

还记得我们最近讨论过大质量物体可以产生的引力透镜效应。星系也会发生同样的情况:当观察位于星系另一侧的物体时,巨大的星系质量会扭曲它们后面物体的图像。由于星系质量越大,效应越大,因此我们可以通过测量其产生的引力透镜效应有多大来估计其质量。

在这种情况下,科学家得到的质量值大约是他们在望远镜中观察到的质量值的五倍。暗物质的存在可以很好地解释这种差异。

这两种现象都可以从牛顿-爱因斯坦引力理论的角度来解释。如果,如上所述,我们稍微修改一下。

我们很快就会看到哪种假设会占上风。

无论如何,我毫不怀疑这一冲突的解决将意味着在未来几十年内颁发多个诺贝尔奖。