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日期:2014-05-06 21:22:50  来源:本站原创
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暗物质与暗能量

暗物质与暗能量

蒙少辉


    我们对于宇宙的认识基于爱恩斯坦的相对论,在此基础上建立的大爆炸理论,认为宇宙创生于一个高度弯曲的时空奇点。因此我们可以简称为奇点大爆炸模型。基于相对论以及我们已经了解的实际观察结果,我们可以建立另外一套类似的模型,我们称之为黑洞大爆炸模型。通过比较两种模型的不同,我们可以讨论更多的疑问。
    奇点大爆炸模型认为,在一个我们不能理解和确定的时间里,存在针尖一样的奇点,类似于一个结构完整的果壳,果壳没有外部,没有任何可以事前理解的东西,在不能确定的原因下,这个果壳发生了大爆炸。大爆炸发生后,创造出多个泡泡,其中一个泡泡由于未知道的原因,刚好满足了一套完美的我们可以理解的理论因此允许物质得以存在,才有了我们居住的宇宙以及可以诘问宇宙奥秘的我们,这就是所谓的人择理论。其余的泡泡我们还不清楚它们现在演化成什么样子。所有的多重时空都创生于果壳的大爆炸以后。黑洞模型则认为,首先有宇宙存在,在这个永恒的时空中存在多个果壳,这些果壳可能处于不同的阶段,有些可能还在萌芽状态,有些可能正在开花,有些可能已经结果,有些则已经炸裂开并且弹射出数量可观的种子。而我们所居住的果壳正是处于已经炸裂的阶段,这些种子正是我们可以观测到的物质。黑洞模型似乎更容易理解并且更具备可预见性。因为在大爆炸发生前,我们可以知道黑洞正在发生什么,黑洞以外的时空是允许存在的并且也在发生什么,为什么允许我们的存在,不需要人择理论而是受到一整套自然法则的支配。而且黑洞模型预示着我们想认识的宇宙比奇点的宇宙更大更无限。同时我们对于时空的曲率可以做出预测。奇点大爆炸模型认为,若曲率等于0则我们的宇宙是平直的,若曲率大于0则我们的时空是球面的,若曲率小于0则我们的时空是双曲面的。但是我们不能确定宇宙的曲率,因此我们也就无法预测我们的宇宙时空状态。黑洞模型建立于我们已经知道并且已经可观测的数据。我们还不能了解那个无限时空宇宙的状态,但是我们可以理解我们居住的果壳的一些状况。如果我们确认我们的确居住在一个大爆炸的黑洞内,则毫无疑问我们的小宇宙是一个有限无边界的球面时空,这不需要考究曲率是否处于何种状态,在这个非常大(我们认为超过140亿光年半径的时空)的时空中的有限区间则是近似平直的,而多重宇宙之间则构成双球面时空。
    因此建立在已知基础上的黑洞时空模型似乎更符合我们的实际状态。同时这个模型可以不需要把暗物质与暗能量分开。因为暗能量的某种属性允许它同时存在万有引力与排斥力,使星系的存在与时空膨胀受到同一样物质的作用而不矛盾,这种对立统一更符合我们已经知道的几种力的特点并且构成3个既相对独立又相互关联的场。即强相互作用力与弱相互作用力,电磁的吸引力与电磁排斥力,万有引力与宇宙膨胀的斥力,它们是同一场中力的两个对立面,同步产生,同时存在。
我们已经观测到宇宙微波背景的辐射处于一个怎样的温度,我们似乎也知道暗能量的温度处于一个怎样的状态。如果这一切都是正确的,我们可以认为暗能量是非常低温的物质,并且均匀地分布在整个宇宙时空,在一个大尺度的时空各向到处都具有一致性。换言之我们可以观测到的光电子物质都分布在一个整体低温的背景上。这个宇宙背景由暗能量构成。暗能量就像海水一样充满整个宇宙海洋。根据强子对撞机实验结果显示,黑洞时空具有“海水”的性质,它不是气态的而是液态的,具有非常高的自由度,粘度几乎为零。可以让处于粒子状态的各种物质自由运动。因此,光子,电子,弱相互作用粒子中微子等可以像强子对撞机环境中一样在暗能量海洋中自由运动。光电子物质与冰冷的背景形成一个巨大的温差。
    我们做一个简单的实验。把一个气球充满空气,然后放进一个冰柜里,我们可以看到气球马上就收缩了。本来均匀地分散于气球内部的气体分子一下子在低温能量的作用下结成小团块状态。这正是光电子物质所以聚成团块的原理。我们知道光电子物质具有较高的温度,并且整体上处于气体状态,这些高温物质分布于各向均匀的低温背景上,必然受低温能量作用发生收缩。过去一些科学家通过计算认为,单凭光电子物质不具备足够的质量使星系聚结起来。通过一套电脑模型加进去暗物质后,就产生足够的万有引力。然而我预计不用加进去暗物质,利用现有的光电子物质,通过一套新的电脑技术使这些光电子物质一直降温,我们同样可以看到它们会慢慢地收缩成团最终构成星系。在这个过程中,暗能量就像是催化剂一样,它只是帮助光电子物质产生运动,并不参与构成星系。如果我们利用加进去暗物质的模型则我们反而不能正确地理解它在这个过程的作用。因为我们已经知道,万有引力是大质量物质使空间弯曲的结果。那么如果暗物质在星系形成的过程中发挥作用,则必须暗物质本身也要像星系一样聚集成团,并且具有一个各向指向暗物质团几何中心的作用力。那么暗物质是什么东西,又是什么力量使这些暗物质聚集在一起的呢。这样我们的理论便又回到了原点,陷入到一个自己互证的怪圈。而且我们已经知道,宇宙在大尺度时是均匀的,在所有的星系结构中暗物质与暗能量都不存在一个指向几何中心的力。我们也知道提供万有引力的物质本身一定同时提供质量,如果说暗物质在类似银河系一样的系统里提供了质量,那么这些暗物质一定存在于系统里,和银河系构成一个浑然一体的整体。推而广之,在恒星形成的过程中,甚至在所有天体形成的过程中,暗物质都必定或多或少地参与其中。这样就形成了一个我们不能理解的怪现象。因为我们知道,我们计算出的太阳的质量刚好等于构成太阳的所有质子数的总和。这说明太阳内部并不存在暗物质。换言之如果我是一个巨人,手上拿着一杆秤称量太阳的质量,我们会发现实际质量与数学计算吻合得非常好。假如我有吞云吐雾的本领,我用一支吸管把太阳的质子全部吸光,我们会发现原来存在太阳的时空里并没有暗物质的存在,只有暗能量构成的时空背景。这样就和暗物质理论模型产生冲突,反过来表明暗物质是不需要存在的。另外还有一个我们见怪不怪的习以为常的现象也同样表明不需要暗物质的存在。常识告诉我们,在我们可观测的物质形态里,气体物质之间的吸引力是最弱的,在一般情况下气体很容易弥散,液体的结合力比气体强很多,而固态分子之间的结合力是三种状态中最强大的。然而我们实际观测的结果表明,固态天体无论质量还是体积都是最小的,液体形态大一些,最大的是气体星球。这在太阳系里非常明显,而且毫无疑问宇宙中最大的结构是气态的。这是为什么呢?这与万有引力理论产生非常大的抵触。我们观测太阳系发现,固态物质只能在极其有限的空间上清空轨道,半径稍微大一点,物质就断裂开来,由另外一个轨道上的物质独立聚集。液体星球的万有引力半径稍微大一些。这说明,在天体和系统聚集成团的过程中万有引力发挥作用的局限性非常大,尤其在宇宙大尺度结构上,那么除了万有引力之外一定存在一个其他的因素在发挥作用,而这个因素在整个过程中只是起到催化剂的作用,不提供万有引力也不提供质量。这种特性只有暗能量具备。正是由于宇宙中大结构物质都是由气态物质贡献的,而气体分子之间存在最大的空隙,使得暗能量提供的低温环境可以渗透到全部的星云之间,才使得星云得以收缩聚集成团。气体物质在低温条件下不受到限制或影响最少,所以体积质量可以非常大,而液体物质在低温收缩的过程中很容易发生断裂,固态物质的脆性则更大,这使得固态物质的体积与质量受到最大的限制。因此暗能量是连接星云与所有天体的纽带,而不是暗物质,而由于我们的黑洞还处于不断产生各种各样核变的阶段,能够不断产生暗能量物质,而且暗能量物质还不能够被压缩,它在不断地均匀地占据新时空而使得我们观测的空间产生膨胀。这让暗能量同时具备了类似于万有引力与排斥力两种截然相反的属性。(暗能量的确具有质量和万有引力,但是暗能量提供的是整个宇宙大尺度上的万有引力而不是局部区域)因此,黑洞模型使我们居住的小宇宙变得更简单,完美,和谐,构成我们小宇宙的物质只有两种,黑暗的暗能量,它贡献了宇宙总质量的95.4%,而我们可以观测的发光物质——光电子物质只贡献了另外的4.6%。如果这个理论是正确的,我们不但统一了暗能量与暗物质,同时使我们居住的小宇宙只是外部一个无限时空宇宙里多重宇宙中其中的一个果壳变得容易理解。而且我们可以通过观测找到进一步的证据,因为在黑洞大爆炸发生以后的暴胀期间,光电子物质的总量已经确定下来,那么在早期的宇宙里,这些光电子物质一定聚集得更紧密,它们之间的空隙更小,它们贡献的质量更大(比如早期宇宙中光电子物质可能提供10%的贡献之类),然后由于光电子物质不断演化成暗能量,它所占的比例随时间越来越少。而这个过程在宇宙处于50到60亿年期间,由于一大批巨大恒星的集结死亡随空间加剧膨胀,物质的比例急剧减少。
基于上述的合理推理,我们建议在两个方面寻找证据。一个是利用超级电脑模型在原来模型的基础上去掉暗物质,通过改变温度看能不能使星系具有足够的万有引力使星云收缩,如果可以则可以统一暗能量与暗物质。另一方面观测宇宙深空,计算出光电子物质是否随时间减少,而且非常好地与宇宙的膨胀速率反比吻合。
    我希望我的黑洞大爆炸理论不论错对都可以得到实验的检验。

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作者:蒙少辉

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