暗物质，暗能量，乌云可散矣！

2024-04-26科学

「落红不是无情物，化作春泥更护花。」梧桐叶落，懂得舍弃，才能保存生命力。

引言

星系的演化如同树的生长，老叶子散落周围，成为泥土。我们看到的叶子总要少于树长过的叶子。星系周围存在不可见物质本来很自然，谁曾想竟被主流演绎到「未知的暗物质粒子」探测上去了。或许，「乌云」不在天外，而在心里。

正文

一．暗物质、暗能量始末

1.1 暗物质概念的起源

1884 年，开尔文（ Lord Kelvin ， 1824 ～ 1907 ，物理学家，原名 William Thomson ）提出「如果银河系中星体能够描述为粒子构成的气体，并受引力作用，那么我们就可以建立系统大小与恒星速度弥散之间的关系。」「但其中许多星体可能已经熄灭并且是黑暗的，而且其中十分之九的恒星因为不够亮，我们无法看到。……我们银河系中的许多恒星，也许是绝大多数恒星，可能是 暗星体 。」

1906 年，亨利 · 庞加莱（ Jules Henri Poincaré ， 1854~1912 ，数学物理学家）在【银河系与气体理论】中讨论开尔文的观点时，首次使用「暗物质」（法语 matière noire ）这一概念。（按：最初暗物质概念只是表示暗星体。）

1912 年，施里弗 (Slipher) 得到「星云」的光谱，发现许多光谱都具有红移现象，据多普勒效应判断这些「星云」在远离我们。当时的「星云」实际是遥远的星系团。

1922 年，雅各布斯 · 卡普坦（ Jacobus Cornelius Kapteyn ， 1851~1922 ，天文学家）提出可通过星体的运动间接推断出其周围可能存在的 不可见物质 （英语 Dark Matter ）。但他对太阳系附近星体运动的研究未能发现暗物质存在的确凿依据。「他建立了恒星运动和速度弥散之间的关系。他用有效恒星质量来得到局部密度，方法是用总引力质量除以观测到的恒星数量，明确指出银河系中存在暗物质：‘因此，我们有了估计宇宙中暗物质质量的方法。就目前的情况来看，这个数值不可能太大。如果不是这样的话，从双星中得到的平均质量就会比发现的有效质量低得多。’」 [1]

1929 年，爱德文 · 鲍威尔 · 哈勃（ Edwin Powell Hubble ， 1889~1953 ，天文学家）利用光谱红移对河外星系的视向速度与距离之间的关系进行研究。当时只有 46 个河外星系的视向速度可以利用，而其中仅有 24 个有推算出的距离。他得出视向速度与距离之间大致的正比关系。 v = H0 × d ，其中 v 为退行速度， d 为星系距离， H0 为比例常数，称为哈勃常数。这就是哈勃定律。

图1 恒星光谱分析示意图

1933 年，弗里茨 · 兹威基（ Fritz Zwicky ， 1898~1974 ，天体物理学家）「利用 光谱红移 测量后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度，发现它们运动得太快，以至于仅靠星系团中可见星系的质量提供的引力无法将它们束缚在一起。他由此推断，后发座星系团之所以能够保持现在的状态，其中应该存在大量暗物质，并且其质量至少为可见星系的百倍以上（虽然，后来更精确地研究证明只有十倍左右，但他得出暗物质为主的结论依然成立）」。 [2] （按：说明暗物质质量估计值强烈依赖于计算模型 ( 维里定理），且参数赋值存在较大的人择性。见 [1] ）

但兹威基不同意勒梅特和哈勃关于星系的红移起源于宇宙膨胀的解释，提出红移是由于光子在穿越宇宙到达地球时，由于引力场的存在，逐渐损失能量而形成的。但这种观点并不为大多数天文学家所接受。

图2 后发座星系团

1959 年，路易丝 · 沃尔德斯（ Louise Volders ）证明旋涡星系 M33 也不会像预期的那样旋转（即不符合开普勒第三定律）。

1970 年，维拉 · 鲁宾（ Vera Rubin ， 1928~2016 ，天体物理学家）和福特（ W.K.Ford ，天体物理学家）「对仙女座大星云中星体旋转速度的研究取得重大突破。他们利用高精度的 光谱测量 技术，能够精确地探测到非常遥远的星体和星际气体绕星系的 旋转速度和距离 的关系。」在 1980 年将结果发表为一篇有影响力的论文：「对于21个具有广泛半径、质量和光度范围的Sc星系，我们得到了延伸到微弱外部区域的长轴光谱，并推导出旋转曲线。星系的倾角很高，因此视线倾角和长轴位置角的不确定性最小。它们的半径R范围从 4 到 122 kpc （ H = 50(km/s) / Mpc) 。通常，旋转曲线延伸到 83%。当在没有缩放的线性尺度上绘制时，最小星系的旋转曲线落在较大星系的旋转曲线的初始部分。所有曲线都显示速度在 R∼5 kpc 时上升到 V∼125 km/s，此后上升速度较慢。即使在最远的测量点，大多数旋转曲线也在缓慢上升。无论是高光度还是低光度的Sc星系都没有下降的旋转曲线。所有光度的Sc星系必须具有位于光学图像之外的显着质量。所有Sc型星系的旋转曲线都遵循 log Vmax 与log R 之间的线性关系，以及在任何 R 处较小星系的速度低于较大星系。」「由于旋转曲线的形式，小星系会经历许多短周期的、非常不同的旋转。大星系（在其外部）经历很少的旋转，只有轻微的差异。 ……UGC 2885是样本中最大的Sc，自宇宙起源以来，其外部经历了不到10次的旋转，但具有规则的双臂螺旋模式，并且没有明显的速度不对称性。这一观察结果对星系形成和演化的模型施加了限制。」 [3]

图3 仙女座大星云

图4 太阳系（左）和仙女座星系（右）的旋转曲线

至此，人们讨论的暗物质还是指暗星体之类的常规物质。

1.2 暗物质概念的演变

1965 年，阿尔诺 · 彭齐亚斯（ Arno Penzias ）和罗伯特 · 威尔逊（ Robert Wilson ）偶然发现来自整个天空均匀的微波射电噪声。经狄克确认为大爆炸理论预测的背景辐射。

1992 年，宇宙背景探测卫星 (COBE) 发现背景辐射存在各向异性，有的地方是 2.7281K ，有的地方是 2.7280K 。

图 5 宇宙微波背景辐射图比较

2003 年，威尔金森微波各向异性探测器（ WMAP ）给出五个波段的全天图： W-band （～ 94GHz ）， V-band （～ 61GHz ）， Q-band （～ 41GHz ）， Ka-band （～ 33GHz ）和 K-band （～ 23GHz ）。其中， K-band 和 Ka-band 有着最大的前景污染（如银河系的辐射），不被采用。通过 Kp0 、 Kp2 等屏蔽，去除弥漫的星系辐射和星系外的点光源污染，组合多频段的 WMAP 数据，最终得到微波背景辐射各向异性信息。探测结果显示，宇宙年龄约为 137 亿年，宇宙由 22.7% 的暗物质， 72.8% 的暗能量， 4.5% 的普通物质组成。

图6 WMAP宇宙微波背景辐射图

2006 年，天文学家利用钱德拉 X 射线望远镜对星系团 1E 0657-558 进行观测， 无意间 发现这个星系团是两个大星系团碰撞形成的。此撞击使 暗物质 与 正常物质 分开，成为暗物质存在的直接证据。

图7 子弹簇星系团1E 0657-558.

Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.;

Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.;

Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

「钱德拉望远镜利用 X 射线探测到的灼热气体在这张照片中显示为两个粉红色团块，包含了这两个星系团中大部分常规物质。蓝色则是其大部分质量所在的地方，这是由引力透镜效应显示的：来自遥远物体的光被质量引起的空间弯曲所扭曲，扭曲程度大大超过热气体造成的影响。而这部分质量并不发出可见光。在碰撞过程中，热气体会发生相互作用而受到阻力，而 不参与 电磁相互作用 的暗物质 不会因撞击而减慢，造成 暗物质 与 常规物质 分离。」 [ 4 ]

2009 年，普朗克 (Planck) 太空望远镜开始观测，并绘制出更精细的微波背景辐射图。

至此，暗物质概念已从原本的「暗天体」演变成了有别于常规物质的「未知暗物质粒子」。

1.3 暗物质粒子探测

基于上述的推测与猜想，近年来暗物质粒子的探测渐入「魔境」。

「从 20 世纪末就开始了一场侦测暗物质的大战。由被动到主动，从地下到水下，从高空到太空的侦测活动不断。科学家们采用了所能想到的各种探测手段，使用了各种可能的辨别或判断暗物质的分析方法，想尽快揭示出深藏在宇宙中的秘密，将暗藏在宇宙中的物质大白于天下。」 [5]

1.3.1 深地实验

目前，直接探测实验有 Soudan 、 DUSE 、 CDMS ， SNOLAB ，大萨索国家实验室， Pandax 、 CDMX 等。

图8 暗物质粒子探测地下实验室分布

表1 直接探测的实验名称和所探测的信号

图9 PandaX两相型氙实验探测原理

1.3.2 空间探测

主要有国际空间站 AMS 实验、 Fermi 卫星、 DAMPE （悟空）卫星等。

图10 高能宇宙射线正负电子能谱图

此外还有，高能粒子对撞机实验，探测轴子的 ADMX 实验，探测中微子的超级神冈实验、冰立方实验，寻找暗光子的 FUNK 实验等等。

2021 年 12 月 16 日，一项发表在【物理评论快报】（ Physical Review Letters ）的最新研究表明：准确区分暗物质与中微子散射原子核的信号是关键，寻找暗物质的征程，远比原来估计的要困难得多。

据有关报道，目前全球至少有 24 家机构开展暗物质探测项目。然而，至今为止，没有明确的「暗物质粒子」存在性证据。

1.4 暗能量探测

「支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀，星系膨胀的速度不象哈勃定律描述的那样，是恒定的，而是在不断加速。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的 " 暗能量 " 。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。但是，我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其 1/3 左右，所以仍有约 2/3 的短缺。这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近 WMAP 数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的 73 ％。」 [6]

2020 年 ,专门用来探测暗能量的暗能量光谱仪 (DESI) 在亚利桑那州落成。 DESI 有 5000 根探测天线，朝向不同的太空方向。每根天线负责探测一座星系，在 20 分钟内， DESI 就能探测完 5000 座星系。该项目包含近 80 个研究单位的 500 多名研究者，主要目标是精确观测宇宙中星系大尺度分布的三维结构，从而揭示宇宙加速膨胀和暗能量的奥秘。 2021 年 5 月 17 日， DESI 开始观测。计划五年中将观测约 3000 万个远方星系的古老光谱，来测量宇宙的加速膨胀速度、宇宙中大尺度结构的增长和形成历史、以及星系本身的形成和演化历史。 [7]

二．质疑与其它解释

螺旋星系 M94( NGC 4736 ) 的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释，无需引入暗物质。而「蜻蜓 44 」等星系的暗物质含量可达到可见物质的 300 倍左右 [8] 。

图11 M94星系

（ R. Jay GaBany, Spitzer Legacy Program, GALEX Nearby Galaxy Survey - http://www.cosmotography.com/images/small_new_m94_announcement.html ）

「到 20 世纪 50 年代末，许多关于星系团质光比的文章被发表。维克托 · 安巴楚勉反对暗物质存在于星系团中的可能性。相反，他认为星系团是不稳定的、快速膨胀的系统，维里定理无法应用于此。」 [1]

1950 年代早期 ,维克托 · 安巴楚勉（ Viktor Hambardzumyan ， 1908~1996 ，天文物理学家）首先提出关于活动星系核（ AGN ）的相关议题。 1958 年 ,他在布鲁塞尔举行的索尔维会议上提出在活动星系核有相当巨大的爆发发生，结果就是大量物质被喷出。后续由耶日 · 奈曼（ Jerzy Neyman ）在文章【 Reminiscences of a Revolutionary Period in Cosmology 】中记录下来。奈曼总结说：「现在的证据压倒性的支持安巴楚勉的假说。我衷心地祝贺安巴楚勉教授，这是哥白尼革命！」 [9]

活动星系核的观点一开始是在怀疑态度下被接受。经过多年后的观测结果（发现类星体、无线电爆发星系、星系核连续爆发、从星系核喷出的喷流等）推动之下才受到认可。现在已被广泛接受。索尔维会议之后十年，在布拉格举办的国际天文联会会员大会上，天文学家艾伦 · 桑德奇说：「今日没有天文学家会反对星系核心周围是神秘的，而首先认识星系核周围的人就是安巴楚勉。」

198 3 年，密尔格罗姆（ Mordehai Milgrom ，物理学家）提出「修正牛顿动力学」(MOND) ，假设牛顿引力定律并不完全和距离的平方成反比，而牛顿第二定律也并不总是 F=ma ，在加速度极小，在 a 远小于 a0=1.1*10^-10 （ m/s^2 ）的时候，牛顿第二定律应该是 F=ma^2/a0 。

类似的，还有贝肯斯坦的张量 - 矢量 - 标量引力理论，熵引力理论，负质量暗流体理论， F(R) 引力理论等。

2016 年，艾瑞克 · 瓦尔林德（ Erik Verlinde ，理论物理学家）发表论文称引力是由真空的量子纠缠熵呈展而来的，原先认为由暗物质造成的引力效应其实源于真空和暗能量中存在额外的熵。这一理论猜想再次引发了暗物质是否存在的讨论。 [2]

以上诸论中，安巴楚勉有关活动星系核导致星系团膨胀的观点可能更符合观测事实。其它修正主义并不可取。

星云说的误导 （详见【星云说，误导人类三百年】）

主流学术界对暗物质的存在感到困惑，一个主要原因是要兼容星云说。如大爆炸宇宙论中不惜逆向采用星云聚合说来解释星系和恒星、行星、卫星的形成。因此，在主观预期中星系应该是向内聚合的，至少是稳定平衡的，绝非向外旋散的。故，当观测事实与预期不符时就产生了暗物质、暗能量的猜测。如果宇宙果真是静态、均匀且恒温的，只有万有引力作用，理应只会聚合。

但事实是星系、恒星系都是有旋的，且内阳外阴，温度分布存在梯度和旋度。 1 ）旋转本身就会产生离心力； 2 ）核心的光热、粒子流也有向外生发的力量，如星系核爆发、太阳风吹拂彗尾； 3 ）上一级星核及同级伴星系引潮力也会产生分离作用。这些向外的力与中心天体的万有引力形成动态平衡，并不能排除向外旋散的情况。而且天体一旦外移，根据万有引力与距离平方反比的关系，引力减少的更快；而离心力与距离呈反比，减少更慢些。加之核心质量以光热粒子流向周围散布、膨胀的作用，外移过程会形成正反馈，表现为对数螺线形态，即观测到的螺旋星系状态。

三、星系演化生长说

数与理的关系

象，数，理，术是人类认识世界，改造世界的一般过程。象，物象形貌，几何学。数，度量规矩，数学。理，因果关系，理学。术，控制方法，科技。象数的积累是为明理服务的，不能舍本而逐末。「凡人欲学一事，必先见明道理。」道理不明，观象则乱，见数则迷。按图索骥，所见皆为心相，如墨迹测试。故，「登高博见」，先理解继承人类史上智慧高点的理念，才不致迷失。

老子：「天下之物生于有，有生于无。道生一，一生二，二生三，三生万物。万物负阴而抱阳，中气以为和。」一句经文已将理数象尽括其中。

质能方程 E=mc^2

有质量的物质定义为「有」，无质量的能量定义为「无」。「有生于无」，「有无之相生也」，「两者同出，异名同谓」。

斐波那契数列

0 ， 1 ， 1 ， 2 ， 3 ， 5 ， 8 ……∞（描述兔子生殖问题）。

「无」定义为 0 ，「道」为起始数 1 ，「一」为首生数 1 ，「二」为次生数 2 ，「三」既为数 3 ，也表多数略称。依此类推到无穷，即万物。

黄金螺线

以斐波那契数列为半径做 90 度弧形衔接起来就成了黄金螺线。

对数螺线

又称等角螺线。公式： r=ae^b θ ， a 为初始径矢； b=cot φ ， φ 为径矢 r 与对应点螺线切线的夹角； θ 为旋转角弧度。黄金螺线只是对数螺线的近似画法。

图12 黄金螺线和对数螺线

欧拉恒等式

e^i π +1=0 。数学家们评价它是「上帝创造的公式，我们只能欣赏它而不能理解它」。

0=e^i π +1 。换个方向也许就理解了。它表达的是从 0 到 1 的变化过程符合对数螺线。即老子讲的由无到有生万物的过程。

引潮力

原本是描述月球对地表海水的起潮作用力。地月绕公质心互转，存在离心力。只有地心处该离心力与地月之间万有引力等大反向。地表水体相对月球的离心力与地心相同，但不同地区水体与月球距离不同，故受月球引力不同，造成合力差，即引潮力。引潮力可分解为径向和切向。径向分量即垂直于地面向上，远离地心的力。

地表的物体飞入太空变成卫星同样会受到月球引潮力作用。同理，地月系绕太阳公转时，地月之间也会受到太阳引潮力作用，存在彼此分离的力。如果太阳存在暗伴星，则伴星的引潮力也会使行星与太阳分离。如果星系存在伴星系，伴星系的引潮力也会使恒星与星系核分离。长期积累就是不断向外生长延申，呈现为螺旋状。另外，演化过程中，物质不断从中心旋散至四周，使整个星系的质量分布发生变化。中心的质量越来越小，引力越来越弱。而周围的质量越来越大，引潮力越来越强。最终呈现给我们的就是临界以外存在等速区。年轻的星系周围缺少老去的天体，表现的符合开普勒定律的预期。年长的星系周围具有很大比例的老天体，它们的引力作用不能被忽视，就呈现为观测到的等速区。这就是 星系旋转曲线的成因。

图13 引潮力示意图

星系的阳与阴

星系核心为阳，具有生发力，人类可见。星系外围为阴，处于准热寂状态，人类不可见，便称为「暗物质」。

图14 星系M94和蜻蜓44

星核生育说： 宇宙中原生星系团、星系、恒星系、行星系、卫星逐级由核心向外谐同生长。生长规律符合对数螺线。哈勃星系分类代表不同的星系生长阶段。

图15 哈勃-DE星系分类示意图

By Antonio Ciccolella / M. De Leo - https://en.wikipedia.org/wiki/File:Hubble-Vaucouleurs.png, CC BY 3.0,

微波背景辐射成因

绝大多数可观测星系都在生长、老化过程中。星系由中心高能态向周围低能态转变过程中，辐射峰值自然会向低频移动。星核中子衰变、反物质湮灭产生 γ 射线，能级最高。周围原子内层电子跃迁产生 X 射线，能级次之。中、外层电子跃迁产生紫外线、可见光。原子核振动产生红外线、微波。自由电子振荡产生微波、射电。老去的星体进入准热寂状态，变成不可见的暗物质，只有微弱的黑体辐射，即 3K 背景辐射。因为周围暗物质要比中心区发光物质分布更广泛。所以呈现出「宇宙微波背景辐射图」的分布状态，这很自然。精细化的微波各向异性图足以描述「暗物质」分布，无需向高频区寻找「未知的暗物质粒子」碰撞产物。微波段的特征谱线红移现象已经难以辨别，所以接收到的微波无法辨别来源远近，即各向同性。以目前观测估计：暗物质占 85% ，亮物质占 15% ，只能说明老去的天体远大于活着的天体。

请点击输入图图16 Planck与WMAP微波背景辐射对比图片描述（最多18字）

光谱红移

暗能量 概念的引入源于宇宙加速膨胀论。而加速膨胀的「证据」是 la 超新星光谱红移超出哈勃定律线性关系。光谱红移有多种，如多普勒红移、引力红移、宇宙学红移等。目前观测到的事实是星系和类星体、超新星的光谱确实发生较大红移。但哈勃定律是否符合客观事实有待确认。因为存在类星体彼此分离速度超过 10 倍光速的悖论。另，各向均匀「膨胀」也与「奇点爆炸论」矛盾，说明宇宙并没有一个中心作为起点。类星体、超新星光谱红移较大可能存在其它原因，如星核自转导致的光波螺旋外射过程中被拉长；光波从星核强磁场逃逸时被拉长或偏振性被极化；光波从致密星核引力场逃逸时的引力红移增大。在进入星际旅行前，光谱就已经严重红移了。星系、类星体、超新星红移量差异较大，本身就说明光源类别可能是显著因子。所以，我们观测到的光谱红移不一定是宇宙加速膨胀造成的。

在开放的宇宙空间中，星系团、星系、恒星系、行星系生长本身就会导致彼此远离。通过遥远星际传递到地球上的光谱产生较大红移也很自然。距离我们越远的星系累加的膨胀量越大，光程越长，经历的时间也越多。所以，无需引入 暗能量 推动宇宙加速膨胀。

总结： 暗物质、暗能量更像两条乌龙，根源在于我们对星系演化模式的不理解。最终演变成对微观暗物质粒子着魔式的探测。若以星系生长观理解宇宙，一切都是那么自然，那么美！