暗物質，暗能量，烏雲可散矣！

2024-04-26科學

「落紅不是無情物，化作春泥更護花。」梧桐葉落，懂得舍棄，才能保存生命力。

引言

星系的演化如同樹的生長，老葉子散落周圍，成為泥土。我們看到的葉子總要少於樹長過的葉子。星系周圍存在不可見物質本來很自然，誰曾想竟被主流演繹到「未知的暗物質體子」探測上去了。或許，「烏雲」不在天外，而在心裏。

正文

一．暗物質、暗能量始末

1.1 暗物質概念的起源

1884 年，克耳文（ Lord Kelvin ， 1824 ～ 1907 ，物理學家，原名 William Thomson ）提出「如果銀河系中星體能夠描述為粒子構成的氣體，並受重力作用，那麽我們就可以建立系統大小與恒星速度彌散之間的關系。」「但其中許多星體可能已經熄滅並且是黑暗的，而且其中十分之九的恒星因為不夠亮，我們無法看到。……我們銀河系中的許多恒星，也許是絕大多數恒星，可能是 暗星體 。」

1906 年，亨利 · 龐加萊（ Jules Henri Poincaré ， 1854~1912 ，數學物理學家）在【銀河系與氣體理論】中討論克耳文的觀點時，首次使用「暗物質」（法語 matière noire ）這一概念。（按：最初暗物質概念只是表示暗星體。）

1912 年，施裏弗 (Slipher) 得到「星雲」的光譜，發現許多光譜都具有紅移現象，據都卜勒效應判斷這些「星雲」在遠離我們。當時的「星雲」實際是遙遠的星系團。

1922 年，雅各布斯 · 卡普坦（ Jacobus Cornelius Kapteyn ， 1851~1922 ，天文學家）提出可透過星體的運動間接推斷出其周圍可能存在的 不可見物質 （英語 Dark Matter ）。但他對太陽系附近星體運動的研究未能發現暗物質存在的確鑿依據。「他建立了恒星運動和速度彌散之間的關系。他用有效恒星質素來得到局部密度，方法是用總重力質素除以觀測到的恒星數量，明確指出銀河系中存在暗物質：‘因此，我們有了估計宇宙中暗物質質素的方法。就目前的情況來看，這個數值不可能太大。如果不是這樣的話，從雙星中得到的平均質素就會比發現的有效質素低得多。’」 [1]

1929 年，愛德文 · 鮑威爾 · 哈伯（ Edwin Powell Hubble ， 1889~1953 ，天文學家）利用光譜紅移對河外星系的視向速度與距離之間的關系進行研究。當時只有 46 個河外星系的視向速度可以利用，而其中僅有 24 個有推算出的距離。他得出視向速度與距離之間大致的正比關系。 v = H0 × d ，其中 v 為退行速度， d 為星系距離， H0 為比例常數，稱為哈伯常數。這就是哈伯定律。

圖1 恒星光譜分析示意圖

1933 年，弗裏茨 · 茲威基（ Fritz Zwicky ， 1898~1974 ，天體物理學家）「利用 光譜紅移 測量後發座星系團中各個星系相對於星系團的運動速度，發現它們運動得太快，以至於僅靠星系團中可見星系的質素提供的重力無法將它們束縛在一起。他由此推斷，後發座星系團之所以能夠保持現在的狀態，其中應該存在大量暗物質，並且其質素至少為可見星系的百倍以上（雖然，後來更精確地研究證明只有十倍左右，但他得出暗物質為主的結論依然成立）」。 [2] （按：說明暗物質質素估計值強烈依賴於計算模型 ( 維裏定理），且參數賦值存在較大的人擇性。見 [1] ）

但茲威基不同意勒梅特和哈伯關於星系的紅移起源於宇宙膨脹的解釋，提出紅移是由於光子在穿越宇宙到達地球時，由於重力場的存在，逐漸損失能量而形成的。但這種觀點並不為大多數天文學家所接受。

圖2 後發座星系團

1959 年，路易絲 · 沃爾德斯（ Louise Volders ）證明旋渦星系 M33 也不會像預期的那樣旋轉（即不符合開普勒第三定律）。

1970 年，維拉 · 魯賓（ Vera Rubin ， 1928~2016 ，天體物理學家）和福特（ W.K.Ford ，天體物理學家）「對仙女座大星雲中星體旋轉速度的研究取得重大突破。他們利用高精度的 光譜測量 技術，能夠精確地探測到非常遙遠的星體和星際氣體繞星系的 旋轉速度和距離 的關系。」在 1980 年將結果發表為一篇有影響力的論文：「對於21個具有廣泛半徑、質素和光度範圍的Sc星系，我們得到了延伸到微弱外部區域的長軸光譜，並推匯出旋轉曲線。星系的傾角很高，因此視線傾角和長軸位置角的不確定性最小。它們的半徑R範圍從 4 到 122 kpc （ H = 50(km/s) / Mpc) 。通常，旋轉曲線延伸到 83%。當在沒有縮放的線性尺度上繪制時，最小星系的旋轉曲線落在較大星系的旋轉曲線的初始部份。所有曲線都顯示速度在 R∼5 kpc 時上升到 V∼125 km/s，此後上升速度較慢。即使在最遠的測量點，大多數旋轉曲線也在緩慢上升。無論是高光度還是低光度的Sc星系都沒有下降的旋轉曲線。所有光度的Sc星系必須具有位於光學影像之外的顯著質素。所有Sc型星系的旋轉曲線都遵循 log Vmax 與log R 之間的線性關系，以及在任何 R 處較小星系的速度低於較大星系。」「由於旋轉曲線的形式，小星系會經歷許多短周期的、非常不同的旋轉。大星系（在其外部）經歷很少的旋轉，只有輕微的差異。 ……UGC 2885是樣本中最大的Sc，自宇宙起源以來，其外部經歷了不到10次的旋轉，但具有規則的雙臂螺旋模式，並且沒有明顯的速度不對稱性。這一觀察結果對星系形成和演化的模型施加了限制。」 [3]

圖3 仙女座大星雲

圖4 太陽系（左）和仙女座星系（右）的旋轉曲線

至此，人們討論的暗物質還是指暗星體之類的常規物質。

1.2 暗物質概念的演變

1965 年，阿爾諾 · 彭齊亞斯（ Arno Penzias ）和羅拔 · 韋遜（ Robert Wilson ）偶然發現來自整個天空均勻的微波射電雜訊。經狄克確認為大爆炸理論預測的背景輻射。

1992 年，宇宙背景探測衛星 (COBE) 發現背景輻射存在各向異性，有的地方是 2.7281K ，有的地方是 2.7280K 。

圖 5 宇宙微波背景輻射圖比較

2003 年，威爾金森微波各向異性探測器（ WMAP ）給出五個波段的全天圖： W-band （～ 94GHz ）， V-band （～ 61GHz ）， Q-band （～ 41GHz ）， Ka-band （～ 33GHz ）和 K-band （～ 23GHz ）。其中， K-band 和 Ka-band 有著最大的前景汙染（如銀河系的輻射），不被采用。透過 Kp0 、 Kp2 等遮蔽，去除彌漫的星系輻射和星系外的點光源汙染，組合多頻段的 WMAP 數據，最終得到微波背景輻射各向異性資訊。探測結果顯示，宇宙年齡約為 137 億年，宇宙由 22.7% 的暗物質， 72.8% 的暗能量， 4.5% 的普通物質組成。

圖6 WMAP宇宙微波背景輻射圖

2006 年，天文學家利用錢德拉 X 射線望遠鏡對星系團 1E 0657-558 進行觀測， 無意間 發現這個星系團是兩個大星系團碰撞形成的。此撞擊使 暗物質 與 正常物質 分開，成為暗物質存在的直接證據。

圖7 子彈簇星系團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.

「錢德拉望遠鏡利用 X 射線探測到的灼熱氣體在這張照片中顯示為兩個粉紅色團塊，包含了這兩個星系團中大部份常規物質。藍色則是其大部份質素所在的地方，這是由重力透鏡效應顯示的：來自遙遠物體的光被質素引起的空間彎曲所扭曲，扭曲程度大大超過熱氣體造成的影響。而這部份質素並不發出可見光。在碰撞過程中，熱氣體會發生相互作用而受到阻力，而 不參與 電磁相互作用 的暗物質 不會因撞擊而減慢，造成 暗物質 與 常規物質 分離。」 [ 4 ]

2009 年，普朗克 (Planck) 太空望遠鏡開始觀測，並繪制出更精細的微波背景輻射圖。

至此，暗物質概念已從原本的「暗天體」演變成了有別於常規物質的「未知暗物質體子」。

1.3 暗物質體子探測

基於上述的推測與猜想，近年來暗物質體子的探測漸入「魔境」。

「從 20 世紀末就開始了一場偵測暗物質的大戰。由被動到主動，從地下到水下，從高空到太空的偵測活動不斷。科學家們采用了所能想到的各種探測手段，使用了各種可能的辨別或判斷暗物質的分析方法，想盡快揭示出深藏在宇宙中的秘密，將暗藏在宇宙中的物質大白於天下。」 [5]

1.3.1 深地實驗

目前，直接探測實驗有 Soudan 、 DUSE 、 CDMS ， SNOLAB ，大薩索國家實驗室， Pandax 、 CDMX 等。

圖8 暗物質體子探測地下實驗室分布

表1 直接探測的實驗名稱和所探測的訊號

圖9 PandaX兩相型氙實驗探測原理

1.3.2 空間探測

主要有國際太空站 AMS 實驗、 Fermi 衛星、 DAMPE （悟空）衛星等。

圖10 高能宇宙射線正負電子能譜圖

此外還有，高能粒子對撞機實驗，探測軸子的 ADMX 實驗，探測微中子的超級神岡實驗、冰立方實驗，尋找暗光子的 FUNK 實驗等等。

2021 年 12 月 16 日，一項發表在【物理評論快報】（ Physical Review Letters ）的最新研究表明：準確區分暗物質與微中子散射原子核的訊號是關鍵，尋找暗物質的征程，遠比原來估計的要困難得多。

據有關報道，目前全球至少有 24 家機構開展暗物質探測專案。然而，至今為止，沒有明確的「暗物質體子」存在性證據。

1.4 暗能量探測

「支持暗能量的主要證據有兩個。一是對遙遠的超新星所進行的大量觀測表明，宇宙在加速膨脹，星系膨脹的速度不象哈伯定律描述的那樣，是恒定的，而是在不斷加速。按照愛因斯坦重力場方程式，加速膨脹的現象推論出宇宙中存在著壓強為負的 " 暗能量 " 。另一個證據來自於近年對微波背景輻射的研究精確地測量出宇宙中物質的總密度。但是，我們知道所有的普通物質與暗物質加起來大約只占其 1/3 左右，所以仍有約 2/3 的短缺。這一短缺的物質稱為暗能量，其基本特征是具有負壓，在宇宙空間中幾乎均勻分布或完全不結團。最近 WMAP 數據顯示，暗能量在宇宙中占總物質的 73 ％。」 [6]

2020 年 ,專門用來探測暗能量的暗能量光譜儀 (DESI) 在亞利桑那州落成。 DESI 有 5000 根探測天線，朝向不同的太空方向。每根天線負責探測一座星系，在 20 分鐘內， DESI 就能探測完 5000 座星系。該專案包含近 80 個研究單位的 500 多名研究者，主要目標是精確觀測宇宙中星系大尺度分布的三維結構，從而揭示宇宙加速膨脹和暗能量的奧秘。 2021 年 5 月 17 日， DESI 開始觀測。計劃五年中將觀測約 3000 萬個遠方星系的古老光譜，來測量宇宙的加速膨脹速度、宇宙中大尺度結構的增長和形成歷史、以及星系本身的形成和演化歷史。 [7]

二．質疑與其它解釋

螺旋星系 M94( NGC 4736 ) 的旋轉能完全依靠可見物質的重力來解釋，無需引入暗物質。而「蜻蜓 44 」等星系的暗物質含量可達到可見物質的 300 倍左右 [8] 。

圖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 世紀 50 年代末，許多關於星系團質光比的文章被發表。維克托 · 安巴楚勉反對暗物質存在於星系團中的可能性。相反，他認為星系團是不穩定的、快速膨脹的系統，維裏定理無法套用於此。」 [1]

1950 年代早期 ,維克托 · 安巴楚勉（ Viktor Hambardzumyan ， 1908~1996 ，天文物理學家）首先提出關於活動星系核（ AGN ）的相關議題。 1958 年 ,他在布魯塞爾舉行的索爾維會議上提出在活動星系核有相當巨大的爆發發生，結果就是大量物質被噴出。後續由耶日 · 奈曼（ Jerzy Neyman ）在文章【 Reminiscences of a Revolutionary Period in Cosmology 】中記錄下來。奈曼總結說：「現在的證據壓倒性的支持安巴楚勉的假說。我衷心地祝賀安巴楚勉教授，這是哥白尼革命！」 [9]

活動星系核的觀點一開始是在懷疑態度下被接受。經過多年後的觀測結果（發現類星體、無線電爆發星系、星系核連續爆發、從星系核噴出的噴流等）推動之下才受到認可。現在已被廣泛接受。索爾維會議之後十年，在布拉格舉辦的國際天文聯會會員大會上，天文學家艾倫 · 桑德奇說：「今日沒有天文學家會反對星系核心周圍是神秘的，而首先認識星系核周圍的人就是安巴楚勉。」

198 3 年，密爾格羅姆（ Mordehai Milgrom ，物理學家）提出「修正牛頓動力學」(MOND) ，假設牛頓重力定律並不完全和距離的平方成反比，而牛頓第二定律也並不總是 F=ma ，在加速度極小，在 a 遠小於 a0=1.1*10^-10 （ m/s^2 ）的時候，牛頓第二定律應該是 F=ma^2/a0 。

類似的，還有貝肯斯坦的張量 - 向量 - 純量重力理論，熵重力理論，負質素暗流體理論， F(R) 重力理論等。

2016 年，艾瑞克 · 瓦爾林德（ Erik Verlinde ，理論物理學家）發表論文稱重力是由真空的量子纏結熵呈展而來的，原先認為由暗物質造成的重力效應其實源於真空和暗能量中存在額外的熵。這一理論猜想再次引發了暗物質是否存在的討論。 [2]

以上諸論中，安巴楚勉有關活動星系核導致星系團膨脹的觀點可能更符合觀測事實。其它修正主義並不可取。

星雲說的誤導 （詳見【星雲說，誤導人類三百年】）

主流學術界對暗物質的存在感到困惑，一個主要原因是要相容星雲說。如大爆炸宇宙論中不惜逆向采用星雲聚合說來解釋星系和恒星、行星、衛星的形成。因此，在主觀預期中星系應該是向內聚合的，至少是穩定平衡的，絕非向外旋散的。故，當觀測事實與預期不符時就產生了暗物質、暗能量的猜測。如果宇宙果真是靜態、均勻且恒溫的，只有萬有重力作用，理應只會聚合。

但事實是星系、恒星系都是有旋的，且內陽外陰，溫度分布存在梯度和旋度。 1 ）旋轉本身就會產生離心力； 2 ）核心的光熱、粒子流也有向外生發的力量，如星系核爆發、太陽風吹拂彗尾； 3 ）上一級星核及同級伴星系引潮力也會產生分離作用。這些向外的力與中心天體的萬有重力形成動態平衡，並不能排除向外旋散的情況。而且天體一旦外移，根據萬有重力與距離平方反比的關系，重力減少的更快；而離心力與距離呈反比，減少更慢些。加之核心質素以光熱粒子流向周圍散布、膨脹的作用，外移過程會形成正反饋，表現為對數螺線形態，即觀測到的螺旋星系狀態。

三、星系演化生長說

數與理的關系

象，數，理，術是人類認識世界，改造世界的一般過程。象，物象形貌，幾何學。數，度量規矩，數學。理，因果關系，理學。術，控制方法，科技。象數的積累是為明理服務的，不能舍本而逐末。「凡人欲學一事，必先見明道理。」道理不明，觀象則亂，見數則迷。按圖索驥，所見皆為心相，如墨跡測試。故，「登高博見」，先理解繼承人類史上智慧高點的理念，才不致迷失。

老子：「天下之物生於有，有生於無。道生一，一生二，二生三，三生萬物。萬物負陰而抱陽，中氣以為和。」一句經文已將理數象盡括其中。

質能方程式 E=mc^2

有質素的物質定義為「有」，無質素的能量定義為「無」。「有生於無」，「有無之相生也」，「兩者同出，異名同謂」。

費氏數列

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

「無」定義為 0 ，「道」為起始數 1 ，「一」為首生數 1 ，「二」為次生數 2 ，「三」既為數 3 ，也表多數略稱。依此類推到無窮，即萬物。

黃金螺線

以費氏數列為半徑做 90 度弧形銜接起來就成了黃金螺線。

對數螺線

又稱等角螺線。公式： r=ae^b θ ， a 為初始徑矢； b=cot φ ， φ 為徑矢 r 與對應點螺線切線的夾角； θ 為旋轉角弧度。黃金螺線只是對數螺線的近似畫法。

圖12 黃金螺線和對數螺線

歐拉恒等式

e^i π +1=0 。數學家們評價它是「上帝創造的公式，我們只能欣賞它而不能理解它」。

0=e^i π +1 。換個方向也許就理解了。它表達的是從 0 到 1 的變化過程符合對數螺線。即老子講的由無到有生萬物的過程。

引潮力

原本是描述月球對地表海水的起潮作用力。地月繞公質心互轉，存在離心力。只有地心處該離心力與地月之間萬有重力等大反向。地表水體相對月球的離心力與地心相同，但不同地區水體與月球距離不同，故受月球重力不同，造成合力差，即引潮力。引潮力可分解為徑向和切向。徑向分量即垂直於地面向上，遠離地心的力。

地表的物體飛入太空變成衛星同樣會受到月球引潮力作用。同理，地月系繞太陽公轉時，地月之間也會受到太陽引潮力作用，存在彼此分離的力。如果太陽存在暗伴星，則伴星的引潮力也會使行星與太陽分離。如果星系存在伴星系，伴星系的引潮力也會使恒星與星系核分離。長期積累就是不斷向外生長延申，呈現為螺旋狀。另外，演化過程中，物質不斷從中心旋散至四周，使整個星系的質素分布發生變化。中心的質素越來越小，重力越來越弱。而周圍的質素越來越大，引潮力越來越強。最終呈現給我們的就是臨界以外存在等速區。年輕的星系周圍缺少老去的天體，表現的符合開普勒定律的預期。年長的星系周圍具有很大比例的老天體，它們的重力作用不能被忽視，就呈現為觀測到的等速區。這就是 星系旋轉曲線的成因。

圖13 引潮力示意圖

星系的陽與陰

星系核心為陽，具有生發力，人類可見。星系外圍為陰，處於準熱寂狀態，人類不可見，便稱為「暗物質」。

圖14 星系M94和蜻蜓44

星核生育說： 宇宙中原生星系團、星系、恒星系、行星系、衛星逐級由核心向外諧同生長。生長規律符合對數螺線。哈伯星系分類代表不同的星系生長階段。

圖15 哈伯-DE星系分類示意圖

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

微波背景輻射成因

絕大多數可觀測星系都在生長、老化過程中。星系由中心高能態向周圍低能態轉變過程中，輻射峰值自然會向低頻移動。星核中子衰變、反物質湮滅產生 γ 射線，能階最高。周圍原子內層電子躍遷產生 X 射線，能階次之。中、外層電子躍遷產生紫外線、可見光。原子核振動產生紅外線、微波。自由電子振蕩產生微波、射電。老去的星體進入準熱寂狀態，變成不可見的暗物質，只有微弱的黑體輻射，即 3K 背景輻射。因為周圍暗物質要比中心區發光物質分布更廣泛。所以呈現出「宇宙微波背景輻射圖」的分布狀態，這很自然。精細化的微波各向異性圖足以描述「暗物質」分布，無需向高頻區尋找「未知的暗物質體子」碰撞產物。微波段的特征譜線紅移現象已經難以辨別，所以接收到的微波無法辨別來源遠近，即各向同性。以目前觀測估計：暗物質占 85% ，亮物質占 15% ，只能說明老去的天體遠大於活著的天體。

請點選輸入圖圖16 Planck與WMAP微波背景輻射對比圖片描述（最多18字）

光譜紅移

暗能量 概念的引入源於宇宙加速膨脹論。而加速膨脹的「證據」是 la 超新星光譜紅移超出哈伯定律線性關系。光譜紅移有多種，如都卜勒紅移、重力紅移、宇宙學紅移等。目前觀測到的事實是星系和類星體、超新星的光譜確實發生較大紅移。但哈伯定律是否符合客觀事實有待確認。因為存在類星體彼此分離速度超過 10 倍光速的悖論。另，各向均勻「膨脹」也與「奇異點爆炸論」矛盾，說明宇宙並沒有一個中心作為起點。類星體、超新星光譜紅移較大可能存在其它原因，如星核自轉導致的光波螺旋外射過程中被拉長；光波從星核強磁場逃逸時被拉長或偏振性被極化；光波從致密星核重力場逃逸時的重力紅移增大。在進入星際旅行前，光譜就已經嚴重紅移了。星系、類星體、超新星紅移量差異較大，本身就說明光源類別可能是顯著因子。所以，我們觀測到的光譜紅移不一定是宇宙加速膨脹造成的。

在開放的宇宙空間中，星系團、星系、恒星系、行星系生長本身就會導致彼此遠離。透過遙遠星際傳遞到地球上的光譜產生較大紅移也很自然。距離我們越遠的星系累加的膨脹量越大，光程越長，經歷的時間也越多。所以，無需引入 暗能量 推動宇宙加速膨脹。

總結： 暗物質、暗能量更像兩條烏龍，根源在於我們對星系演化模式的不理解。最終演變成對微觀暗物質體子著魔式的探測。若以星系生長觀理解宇宙，一切都是那麽自然，那麽美！