朱夏緋 朱仲

摘要：暗物質(zhì)是近年來研究的熱點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)，認(rèn)為一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于除其本身外宇宙中所有物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我們討論一個(gè)星系外圍天體相對(duì)于其所在的星系運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)考慮其空間的運(yùn)動(dòng)，對(duì)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(huì)得到一個(gè)在做一定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)空間;因此天體相對(duì)于其空間的運(yùn)動(dòng)速度大大的小于觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn);相對(duì)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(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速的冷暗物質(zhì)[2]。目前，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、意大利、加拿大、日本等國(guó)家，已建立起10多個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室[3]。而研究課題最多、規(guī)模最大的是意大利格朗薩索國(guó)家地下實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室深度為1400米，總?cè)莘e18萬立方米，目前有20多個(gè)國(guó)家的750多名科學(xué)家圍繞這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室。英國(guó)一個(gè)深達(dá)350米的地下實(shí)驗(yàn)室，也于2010年4月正式啟動(dòng)使用。各國(guó)積極興建極深地下實(shí)驗(yàn)室的目的，就是希望能夠成為最早發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的國(guó)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(gè)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(guó)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(cè)螺旋星系旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，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(cè)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(yùn)動(dòng)速度，除非星系團(tuán)的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計(jì)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(yùn)行速度，橫坐標(biāo)R代表到星系中心距離，實(shí)線為實(shí)際觀測(cè)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(cè)分析結(jié)果，早期的觀測(cè)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(shí)驗(yàn)：用長(zhǎng)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(shí)候，整個(gè)水體由于慣性不會(huì)馬上跟著轉(zhuǎn)起來，水桶會(huì)轉(zhuǎn)得比水快很多，此時(shí)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(dòng)起來，隨著水桶的旋轉(zhuǎn)，由于水的黏著力，我們會(huì)看到水桶會(huì)帶動(dòng)著水最終一起旋轉(zhuǎn)起來，相對(duì)桶內(nèi)壁來說水就慢慢變成靜止的了，而此時(shí)，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(shí)驗(yàn)證明了空間的絕對(duì)性，水的運(yùn)動(dòng)傾向不依賴于水相對(duì)周圍事物的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而是取決于某個(gè)絕對(duì)參考系。如果運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的，沒有一個(gè)絕對(duì)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?yàn)樵谕皟?nèi)壁眼里，水相對(duì)于自己是從轉(zhuǎn)動(dòng)到靜止的。但是，實(shí)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(duì)空間存在的證明。絕對(duì)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(duì)空間是不存在的，我們直接觀測(cè)到的天體的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是與牛頓絕對(duì)空間的運(yùn)動(dòng)相類似;馬赫認(rèn)為物體的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于除其本身外宇宙中所有物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，我們支持馬赫的觀點(diǎn)，即相對(duì)于其相對(duì)空間的運(yùn)動(dòng)（相對(duì)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(cè)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(duì)于不同距離和質(zhì)量的物質(zhì)對(duì)具體的某一物體運(yùn)動(dòng)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(cè)到A與B作相同的向下運(yùn)動(dòng)，因此A對(duì)于相對(duì)空間的運(yùn)動(dòng)為0。（假設(shè)觀測(cè)者質(zhì)量小或距離遠(yuǎn)，對(duì)此空間幾乎無影響）

假設(shè)2：觀測(cè)到當(dāng)A向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，B停止不動(dòng)，如下圖3：

此時(shí)A對(duì)于相對(duì)空間的運(yùn)動(dòng)即為A相對(duì)于B的運(yùn)動(dòng)，即VA（空間）=VA（觀測(cè)）-VB（觀測(cè)）

其中VA（空間）為物體A對(duì)于相對(duì)空間的運(yùn)動(dòng)速度，以矢量表示;VA（觀測(cè)）為觀測(cè)到的物體A運(yùn)動(dòng)速度（相對(duì)于觀測(cè)者），以矢量表示;VB（觀測(cè)）為觀測(cè)到的物體B運(yùn)動(dòng)速度（相對(duì)于觀測(cè)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(yùn)動(dòng)，如下圖4：

此時(shí)觀測(cè)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(gè)宇宙空間都在以角速度ω旋轉(zhuǎn)，雖然觀測(cè)到A物體在以ω×R的速度在運(yùn)動(dòng)，但實(shí)際上A相對(duì)于相對(duì)空間的運(yùn)動(dòng)為0。

我們把運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展到真實(shí)的宇宙空間，來考查物體A相對(duì)于宇宙空間的運(yùn)動(dòng)。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(cè)到的物體A在星系1中，因此星系1對(duì)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(shí)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(duì)于遠(yuǎn)方的星系由于距離遙遠(yuǎn)，且運(yùn)動(dòng)方向不統(tǒng)一，我們可以假設(shè)其相對(duì)于觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)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(jì)算。

對(duì)于星系2，要考慮其與A的距離大小，當(dāng)距離較大時(shí)可將其考慮為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，按其觀測(cè)到的中心運(yùn)動(dòng)速度、總質(zhì)量、和中心與A的距離作為一個(gè)物體進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。當(dāng)距離A較小時(shí)，可能需要較為詳細(xì)的計(jì)算。

相對(duì)于物體A，星系1總質(zhì)量相較于整個(gè)宇宙可能很小，但由于其靠近物體A，對(duì)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(yùn)動(dòng)，星系1的其它天體也主要在做環(huán)繞星系中心的圓周運(yùn)動(dòng);當(dāng)我們求VA（空間）時(shí)，可具體計(jì)算物體A與星系1的其它天體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（VA（觀測(cè)）-Vi（觀測(cè)））并計(jì)算其加權(quán)值f（iA）;

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

將物體A相對(duì)于星系1、星系2、遠(yuǎn)方的星系的運(yùn)動(dòng)相加（加權(quán)），即可得到物體A對(duì)于相對(duì)空間（整個(gè)宇宙）的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，因此加權(quán)后相對(duì)于物體A的宇宙空間總體上是在做一定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向與A的運(yùn)動(dòng)方向相同，物體A相對(duì)于整個(gè)宇宙空間的運(yùn)動(dòng)速度，應(yīng)等于我們觀測(cè)到的物體A的運(yùn)動(dòng)速度減去空間的運(yùn)動(dòng)速度，從而大大的小于觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)速度，如圖6所示。

圖中縱坐標(biāo)V代表恒星運(yùn)行速度，橫坐標(biāo)R代表到星系中心距離，實(shí)線為實(shí)際觀測(cè)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(shí)線表示空間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

因此由我們觀測(cè)到的天體運(yùn)動(dòng)，其相對(duì)于宇宙（相對(duì)空間）的運(yùn)動(dòng)小于我們的觀測(cè)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(duì)太陽系的影響是微乎其微的，只會(huì)有較小的影響。如圖7：

結(jié)論

1、一個(gè)物體相對(duì)于相對(duì)空間的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于除其本身外宇宙中所有物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng);宇宙中其它物體對(duì)其影響應(yīng)通過加權(quán)計(jì)算。

2、一個(gè)星系外圍天體相對(duì)于其所在的星系運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)考慮其空間的運(yùn)動(dòng)，對(duì)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(gè)在做一定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)空間;因此天體相對(duì)于其空間的運(yùn)動(dòng)速度大大的小于觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)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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作者簡(jiǎn)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。