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暗物質和普通物質有什麼區别
暗物質和普通物質有什麼區别
更新时间:2025-04-26 12:26:45

為了回答這個問題,我們要先拿修正引力理論舉例。修正牛頓引力理論(别稱MOND)介紹了一種叫a0新自然常數。它是有維度的加速度。如果分加速度實際比a0大,牛頓第二定律證明:力與加速度成正比;但是如果加速度小于a0,牛頓第二定律就會改變:力與加速度的平方成正比。因此,某加速度所需的力總是小于根據牛頓力學所預測出來的結果。在星系觀測到加速度的情況下,MOND比牛頓力學預測到了更小的力:一個更小的引力質量。這顯得暗物質有點多餘了。

暗物質和普通物質有什麼區别(說暗物質是物質而不是别的東西)1

莫德采·米爾格若姆最著名的成就是1981年提出修正牛頓重力理論(Modified Newtonian Dynamics, MOND)來解決暗能量與星系自轉問題。

在銀河系的外部區域,重力産生的加速度最終降至a0以下。a0的值和星系質量或引起這種現象的發生:質量越大,星系MOND。因為數據需要計算a0的值和典型星系質量,所以這個躍遷距離銀河系中心幾萬光年遠。 對于典型的星系團來說,這個躍遷距離是幾百萬光年。

暗物質和普通物質有什麼區别(說暗物質是物質而不是别的東西)2

假設下,星系的主要質量在一定範圍内,牛頓力學表明,在半徑之外運行的氣體或恒星,它們的速度會随着軌道半徑的增加而減小。這也應用于太陽系:太陽系的總體質量多集中在太陽和水星上,而最接近太陽的行星,圍繞它運行的速度比其他行星如地球的速度快得多。 但是一旦MOND可以預測,情況就會發生根本變化。隻要離銀河系中心足夠遠,軌道速度不會随着軌道半徑的增加而減小,而是達到恒定值。這個恒定速度與星系質量的四次方根成正比。

暗物質和普通物質有什麼區别(說暗物質是物質而不是别的東西)3

MOND是多麼接近這些數據?如MOND所預測的那樣,在螺旋星系中,天體的環繞速度不會随其距星系中心的距離變長而減小,而是接近常數值。此外,天文學家們根據觀察得出的一個規律(即塔利費舍爾關系):這個值與銀河系光度的四次方根成正比。假設光度與質量成一定比例,MOND無法推斷出這個比例。最近的觀測結果證明了這一假設:速度和質量的直接關系比速度和光度的直接關系更近。

暗物質和普通物質有什麼區别(說暗物質是物質而不是别的東西)4

MOND這麼有吸引力是因為它預測了許多在制定觀測計劃時根本無法得知的結果。 低表面亮度星系就是一個典型例子,它們的質量很小,幾乎察覺不到。普通星系隻有邊緣區域的加速度才低于a0,但整個暗星系的加速度都小于a0。也就是說,根據MOND,暗星系的質量差異應該無處不在。在提出MOND時,天文學家隻知道幾個暗星系,也沒有詳細研究過它們。自從MOND提出後,他們發現這些低表面亮度星系的質量差異比預期的要大得多。MOND不僅正确地預測了這個結構,而且還預測了它的星等。

暗物質和普通物質有什麼區别(說暗物質是物質而不是别的東西)5

星系旋轉曲線的再現更加證明了MOND的正确,即軌道速度對距離的相關性。 直到20世紀80年代後期,天文學家才有足夠的詳細觀察結果去驗證理論的預測結果,他們認同MOND是不同尋常的。比較時,每個星系必須調整從光度到質量的比例因子參數。調整後的數值與理論預期的結果一緻。另一方面,暗物質模型需要為每個星系調整至少兩個附加參數,一個用于擴展,一個用于計算無形物質的總質量。盡管已經調整了相關參數,但目前的暗物質模型和MOND并沒有解釋該旋轉數據。

暗物質和普通物質有什麼區别(說暗物質是物質而不是别的東西)6

如果質量差異不适用不同星系的典型加速度,則該模式幾乎完全印證了MOND的預測,質量非常大的星系團除外。如果我們将這些星團視為一個整體,它們會有5到10的質量差異(MOND可以解釋這個原因)。但是,一旦我們專注它們的内部區域,疑點仍然存在:MOND無法解釋整個無形的質量。也許理論本身有在這一領域有不足。

盡管取得了這樣的成功,MOND目前僅知識有限的現象學理論。通過現象學,它既不由基本原則驅動的也不基于基本原則。它直接源于描述和解釋某些觀察的需要。 但是MOND也是有局限的,因為它甚至無法解釋它設想的所有現象。這是因為MOND尚未整合到滿足狹義相對論或廣義相對論的理論中。也許無法實現,也許隻是時間問題。

MOND和相對論的同一基礎是:宇宙是一個整體。因此,MOND并不能很好地解釋宇宙學。 MOND的局限性涉及所有關于宇宙初始結構的問題。 雖然MOND可以應用于從宇宙原始湯??分離出的現成理論體系,但它無法描述分離之前的時間。

盡管修正牛頓力學很好地再現了銀河系的天文現象,但許多研究人員仍然認為MOND沒有說清基本事實:修正牛頓力學可能隻是總結了我們在自然界中看到的一些現象,但終有一天暗物質模型會解開這些謎團。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Toni Sementana- quora

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