暗物质可能不存在

朱夏绯 朱仲

摘要：暗物质是近年来研究的热点。自从上世纪三十年代由瑞士科学家兹维基提出暗物质以来，全世界的科学家都在不遗余力地寻找暗物质，可到目前为止，人们找到的还都只是一些疑似证据。本文通过分析牛顿和马赫的水桶实验，认为一个物体的运动是相对于除其本身外宇宙中所有物体的相对运动。当我们讨论一个星系外围天体相对于其所在的星系运动时，应考虑其空间的运动，对宇宙中其它所有的天体的影响进行加权。加权的结果我们会得到一个在做一定的旋转运动空间;因此天体相对于其空间的运动速度大大的小于观测到的运动速度，其与星系（星团）质量的矛盾，可能不需要用到额外引力源（暗物质）而得到解释。

关键词：暗物质;水桶实验;相对空间;星系

自从上世纪三十年代由瑞士科学家兹维基（Fritz Zwicky）提出暗物质以来[1]，全世界的科学家都在不遗余力地寻找暗物质，科学家们发展了各种各样的理论模型，给出了许多不同可能的暗物质候选者。当前暗物质主要候选者是运动速度远小于光速的冷暗物质[2]。目前，美国、英国、法国、意大利、加拿大、日本等国家，已建立起10多个极深地下实验室[3]。而研究课题最多、规模最大的是意大利格朗萨索国家地下实验室，该实验室深度为1400米，总容积18万立方米，目前有20多个国家的750多名科学家围绕这个实验室工作。日本于2010年10月在岐阜县飞鳍市神冈矿山的矿井下，建设了XMASS地下实验室。英国一个深达350米的地下实验室，也于2010年4月正式启动使用。各国积极兴建极深地下实验室的目的，就是希望能够成为最早发现暗物质的国家。

尽管科学家已在探寻暗物质上多方努力，但始终无从捉摸这个充斥在我们周围，甚至漂浮在我们身体里的神秘物质。如此神秘的暗物质，不得不谈谈是怎么来的。

1932年，美国加州工学院的瑞士天文学家弗里兹·扎维奇最早提出证据并推断暗物质的存在。弗里兹·扎维奇观测螺旋星系旋转速度时，发现星系外侧的旋转速度较牛顿重力预期的快，故推测必有数量庞大的质能拉住星系外侧组成，以使其不致因过大的离心力而脱离星系[5]。

弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，即存在额外的引力源，否则星系团根本无法束缚住这些星系。如图1[6]：

图中纵坐标V代表恒星运行速度，横坐标R代表到星系中心距离，实线为实际观测结果，虚线是由可见物质质量估算的理论结果。本图内容为2019年的观测分析结果，早期的观测虽然也得出同类定性结论，但精度和完整性都逊色一些。

除去额外的引力源，支持暗物质的还有引力透镜[7]、子弹星云[8]、宇宙的结构、重子声学振荡[9]等线索用暗物質理论可以得到解释。

本文主要讨论额外引力源问题，先从牛顿的水桶谈起。

牛顿的水桶实验：用长绳吊一水桶，让它旋转至绳扭紧，然后将水注入，水与桶都暂处于静止之中，再以另一力突然使桶沿反方向旋转。水桶在刚刚开始旋转起来的时候，整个水体由于惯性不会马上跟着转起来，水桶会转得比水快很多，此时水面平静如故，没有发生凹陷;随着水桶继续旋转，水体跟着桶内壁也开始转动起来，随着水桶的旋转，由于水的黏着力，我们会看到水桶会带动着水最终一起旋转起来，相对桶内壁来说水就慢慢变成静止的了，而此时，水面发生凹陷;当水桶内壁停止旋转后，水体继续旋转，水面保持凹陷;最后水体也停止旋转，水面恢复平静。

牛顿认为水桶实验证明了空间的绝对性，水的运动倾向不依赖于水相对周围事物的相对运动，而是取决于某个绝对参考系。如果运动都是相对的，没有一个绝对参考系的存在，那么桶内壁应该看到水面是先凹后平，因为在桶内壁眼里，水相对于自己是从转动到静止的。但是，实际上桶内壁和我们一样都看到了水面是先平后凹的，这就是绝对空间存在的证明。绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。

我们认为：牛顿的绝对空间是不存在的，我们直接观测到的天体的运动实际上是与牛顿绝对空间的运动相类似;马赫认为物体的运动是相对于除其本身外宇宙中所有物体的相对运动，我们支持马赫的观点，即相对于其相对空间的运动（相对空间为除其本身外宇宙中所有物体构成）。

已知现有的可观测的宇宙直径有数百亿光年，其中天体的质量大小相差巨大，距离上更是相差甚远，甚至有的天体本身都已经消失了其作用都还未传递到。因此对于不同距离和质量的物质对具体的某一物体运动的影响应有所不同。

假设1：宇宙中只有A、B二物体，如图2：

观测到A与B作相同的向下运动，因此A对于相对空间的运动为0。（假设观测者质量小或距离远，对此空间几乎无影响）

假设2：观测到当A向下运动时，B停止不动，如下图3：

此时A对于相对空间的运动即为A相对于B的运动，即VA（空间）=VA（观测）-VB（观测）

其中VA（空间）为物体A对于相对空间的运动速度，以矢量表示;VA（观测）为观测到的物体A运动速度（相对于观测者），以矢量表示;VB（观测）为观测到的物体B运动速度（相对于观测者），以矢量表示。（以下同）

假设3：宇宙中的物体以相同的角速度运动，如下图4：

此时观测到A与其余所有的物体，以相同的角速度ω绕中心旋转，整个宇宙空间都在以角速度ω旋转，虽然观测到A物体在以ω×R的速度在运动，但实际上A相对于相对空间的运动为0。

我们把运动扩展到真实的宇宙空间，来考查物体A相对于宇宙空间的运动。设有一物体A处于某一星系的外围，如图5所示：

我们可以看到，观测到的物体A在星系1中，因此星系1对其的影响较大;星系2，距离较远，影响次之，（当距离很远时可并入远方星系）;而远方的星系（由宇宙中其它的物体组成）虽然质量巨大，其影响不可忽视，但相较于星系1、和星系2，影响可能较小。

对于远方的星系由于距离遥远，且运动方向不统一，我们可以假设其相对于观测者的运动为0。估算出其总质量（相当于宇宙质量）和平均距离，进行计算。

对于星系2，要考虑其与A的距离大小，当距离较大时可将其考虑为一个质点，按其观测到的中心运动速度、总质量、和中心与A的距离作为一个物体进行简化计算。当距离A较小时，可能需要较为详细的计算。

相对于物体A，星系1总质量相较于整个宇宙可能很小，但由于其靠近物体A，对物体A的影响应该较大。从图5中可以看出，物体A在做环绕星系中心的圆周运动，星系1的其它天体也主要在做环绕星系中心的圆周运动;当我们求VA（空间）时，可具体计算物体A与星系1的其它天体的相对运动（VA（观测）-Vi（观测））并计算其加权值f（iA）;

或者将其简化为一个旋转的圆盘，计算出其平均转速ω，VA（空间）=（VA（观测）-ω×R）;再由星系1总质量，A与星系1中心的距离计算其加权值。

将物体A相对于星系1、星系2、远方的星系的运动相加（加权），即可得到物体A对于相对空间（整个宇宙）的运动速度。

从图中可以看出，物体A在做环绕星系中心的圆周运动，星系1的其它天体也主要在做环绕星系1中心的圆周运动，因此加权后相对于物体A的宇宙空间总体上是在做一定的旋转运动，且运动方向与A的运动方向相同，物体A相对于整个宇宙空间的运动速度，应等于我们观测到的物体A的运动速度减去空间的运动速度，从而大大的小于观测到的运动速度，如图6所示。

图中纵坐标V代表恒星运行速度，横坐标R代表到星系中心距离，实线为实际观测结果，虚线是由可见物质质量估算的理论结果;图中粗实线表示空间的旋转运动。

因此由我们观测到的天体运动，其相对于宇宙（相对空间）的运动小于我们的观测值，其与星系（星团）质量的矛盾，可能不需要用到额外引力源（暗物质）而得到解释。

顺便提一下我们所在的太阳系，由于银河系的旋转平面与太阳系的旋转平面几乎是垂直的，所以银河系的旋转对太阳系的影响是微乎其微的，只会有较小的影响。如图7：

结论

1、一个物体相对于相对空间的运动是相对于除其本身外宇宙中所有物体的相对运动;宇宙中其它物体对其影响应通过加权计算。

2、一个星系外围天体相对于其所在的星系运动时，应考虑其空间的运动，对宇宙中其它所有的天体的影响进行加权。加权的结果得到一个在做一定的旋转运动空间;因此天体相对于其空间的运动速度大大的小于观测到的运动速度，其与星系（星团）质量的矛盾，可能不需要用到额外引力源（暗物质）而得到解释。

参考文献

[1]李春园.暗物质寻找的研究[D].山东：山东大学，2020：22-23.

[2]陈亚正.暗物质直接探测中核效应的研究[D].天津：南开大学，2014：1-2.

[3]李道群.地球深处的科研殿堂——地下实验室[J].世界科学，2011，（2）：35-36.

[4]常进，.空间间接探测暗物质粒子[J].现代物理知识，2018，（2）：31-32.

[5]钱凤仪.万有引力形成机制与暗物质谬误研究[J].长春工业大学学报，2019，（2）：1-2.

[6]毕效军，.暗物质粒子探测及进展[J].现代物理知识，2018，（2）：10-13.

[7]李瑞.星系尺度强引力透镜的寻找及应用[D].云南：中国科学院大学（中国科学院云南天文台），2020：3-4.

[8]蔡荣根，王少江，杨润秋，张云龙.引力的本质[J].科学通报，2018，（24）：2488-2489.

[9]趙成.利用宇宙大尺度结构限制宇宙学[D].北京：清华大学，2019：15-18.

作者简介：朱夏绯，性别：女，民族：汉，籍贯（省市）：福建福州，出生年月：1996年6月，研究方向：化学教育学，职称：无，学历：硕士研究生。