暗物質的機制

暗物質假說，基於愛因斯坦對引力場空間化的思想，對引力場空間進行了物質化的探索與研究。通過引入正反粒子的同構和反對稱的假設，物質復空間理論認為“引力場空間是超循環的物質態”，進而根據流體力學原理和廣義相對論可推斷：“引力場環流帶來的天體自由環繞運動在暗物質效應中起著主導作用”。

基本介紹

• 中文名：暗物質機制
• 別名：暗物質物理機制

1. 傳統的暗物質理論

1934年，瑞士天文學家茲威基發現，用引力的方法即維里定理計算出來的星系總質量(維里質量)遠遠大於用光度觀察計算出來的光度質量，用這兩種方法算出來的兩種質量之間的比值可以達到160，也即說明星系中的99%以上的物質無處尋覓。因此他宣稱，星系中的大部分物質是看不見的。當時該問題被稱為“失蹤質量”之謎。經現代更高精度觀察，雖然這個比值不再是茲威基所計算的160倍那么多，但也充分證明星系和星系團中八九成以上的物質確實是看不見的，即它們僅僅表現為強大的引力，但是並不輻射任何電磁波。利用都卜勒效應可以測量星系轉動速度。按照一般觀點，如果牛頓引力定律正確，那么星系轉動速度應該隨半徑增大逐漸下降(即克卜勒轉動曲線)。但是在1970年代美國女天文學家魯賓發現星系內離星系中心不同半徑距離處的氣體圍繞星系中心的轉動速度幾乎為常數，這也佐證了茲威基的發現，並造就了新謎，即星系平坦轉動曲線之謎。顯然，星系這種高速轉動也需要依靠“失蹤質量”的強大引力來維持平衡。自1970年代超對稱理論(即認為每一種費米子都有一種相同質量的玻色子與之對應)的建立以及對突破粒子物理學標準模型(弱電統一理論和量子色動力學)的渴望， 天體物理學內的“失蹤質量”之謎也被稱呼為“暗物質”之謎。這種暗物質的特點是不參與電磁相互作用，因為它們不發光，也不發生其它任何電磁輻射，因此它們不可能是由質子中子這樣的普通重子構成的。我們對星系中九成以上的物質竟然一無所知。

2019年10月22日，周勇在關於MOND的學術報告 中指出：利用半球比較方法和偶極擬合方法，擬合SPARC數據集提供的星系旋轉曲線，發現加速度常數在天球方向存在明顯的各向異性分布。通過對單個星系的旋轉曲線進行擬合，發現不同星系的加速度常數彼此不自洽，無法由一個基本常數描述。這些結果意味著修改牛頓動力學僅僅只是經驗公式，而不是基本理論。

2.引力場的空間化

早在二十世紀上半頁，在愛因斯坦和波爾就量子力學的完備性論戰的年代，愛因斯坦與湯川秀樹都認識到“物理客體有著空間的廣延”。愛因斯坦曾明確指出“既然依照我們的見解，物質的基本粒子按其本質來說，不過是電磁場的凝聚，而絕非別的什麼東西，那么我們的世界圖像就得承認有兩種概念上彼此完全獨立的（儘管在因果關係上是相互聯繫的）實在，即引力場和電磁場，或者——人們還可以把它們叫做空間和物質。”。由此可見，對引力場賦予物質屬性是愛因斯坦在研究統一場的過程中所構想的，在愛因斯坦晚年的時空觀念中：引力場是空間的本體，空間內則充滿著均勻的以太，電磁波在均勻的以太中以恆定的光速傳播。為此，愛因斯坦還明確指出“依照廣義相對論，空間已經被賦予物質性質；因此，在這種意義上說，存在著一種以太”。但是，由於愛因斯坦沒能找到合理的哲學邏輯和合適的數學工具解決引力場物質化的多重難題，也沒能深刻地認識到“引力場、空間和以太是三位一體的存在”，因此最終沒能將引力場物質化的思想以物理學理論的方式建立起來。

3.引力場空間的物質化

2019年5月7日，刊發於《現代物理》的“物質復空間理論（Mass Complex Space Theory）”確立了引力場物質化的哲學邏輯和數學結構，認為“引力作用的物理機制是質體之間引力場流的交換，引力場本身就是負能態的超循環的物質態”。因此，宇宙中的暗能量即負能量與宇宙中以基本粒子形態存在的正能量在絕對值上是相等的。物質復空間理論認為：基本粒子是物質復空間運動的局域表征，引力場是空間的本體，空無的空間是不存在的。因此，粒子的廣延本體具有物質屬性和纖維叢結構，進而我們可推斷真空磁導率不是常數。為調合廣義相對論和量子力學，物質復空間理論（MCST）以太極圖和克萊因瓶為基本模型，認為基本粒子具有超循環反對稱的復空間物理結構。

在廣義相對論和量子力學的基礎上，MCST的基本假設與推論如下：

MCST第一公設：物質是由對立統一的虛實空間相互作用生成。

MCST第二公設：實空間是收斂的引力場，虛空間是發散的斥力場。

MCST第三公設：物質是超循環物質態的局域耦合與分化的表象。

MCST第四公設：超循環物質態的運動遵循物極必反的自然法則。

MCST第五公設：實空間是物質的虛態，虛空間是物質的實態。

MCST第六公設：多質體引力場流的分布遵守最小作用原理。

MCST第七公設：質體的運動是其引力場空間外在不平衡的效應。

MCST第八公設：在物質復空間的臨界域，引力場流速等於引力場波速。

MCST第九公設：物質復空間場流的分布具有力學慣性。

MCST第十公設：質體本徵復空間的臨界域截面與其本徵質量成正比。

MCST第一定理：宇宙的極大尺寸與極小尺度是對立統一。

MCST第二定理：相互靠近的一對粒子，二者復空間的臨界域均增大。

MCST第三定理：距離其它質體足夠遠的一對質體，各自截獲對方的引力質量與二者的本徵質量成反比。

MCST第四定理：質體從背景真空中截獲的引力質量與質體的本徵質量成正比。

MCST第五定理：質體的引力質量恆等於其慣性質量。

MCST第六定理：對於近距離作用的一對質體，質體在實空間截獲的引力質量，在虛空間全部返還給與其作用的質體。

MCST第七定理：穩態的天體系統，中心天體的引力作用質量總是小於其本徵質量的，外圍天體的引力作用質量總是大於其本徵質量的。

普朗克長度的物理意義：G(ℏs−1/C2)/lP2=Cs−1

引電統一的基本方程：(εμ)−1/2∑|gi|=w

MCST第二公設的補充說明：由於實空間是負能態的，本公設中所謂的收斂與發散均是正能化的，正能量的收斂等價於負能量的發散（可類比電子運動方向和電流方向相反）。因此，負能態的引力場實為發散的負能量場。

4.暗物質的物理機制

基於物質復空間理論，2020年11月25日刊發於《現代物理》的“暗物質效應的多重物理機制研究”進一步表明：質體之間引力場流的交換在暗物質效應中僅起到結構性的次要作用；通過引入廣義向心力公式，論證了暗物質效應另一因素是“動能相同的質體在低真空密度環境下的運動活力增大”；最終，通過研究引力場流的渦旋效應，可推斷“引力場環流作用帶來的天體自由環繞運動在暗物質效應中起著主導作用”。

物質復空間理論中對於引力場的流速與引力場的加速關係的論斷“引力場的流速等於引力場的秒加速度”，該論斷表明“空間的運動相對於物質的運動而言是更高階次的運動”。根據這一論斷和光速最大原則，可將普朗克長度歸結為“普朗克角動量的引力場加速度達到光速每秒時的引力場臨界半徑”。因此，物質復空間理論對量子力學的基本假設也是兼容的。

牛頓萬有引力與廣義相對論研究的引力場都是靜態的，根據最小作用原理，靜態的引力場沿著最短的幾何路徑相互作用。根據物質復空間理論，引力場本身具有理想流體的特質，因此天體之間的引力作用必然遵守流體力學的一般規律。根據流體力學常識，可以推斷“星系自旋主要源於星系引力場的渦旋”。根據本文第三節的分析，可推知質體運動的本質在於其外在空間的不對稱，質體通過運動（包含勻速運動和加速運動）始終保持著其內在空間結構的對稱性，這也是不同慣性系中物理定律能夠保持數學形式不變的根本原因。

如圖1所示，星系的渦旋引力場可矢量分解為向心引力場g₁和圓形軌道切線引力場g₂。其中，向心引力場g₁仍然遵循靜態三維空間的牛頓力學定律，並由萬有引力為天體的部分運動提供軌道向心力。根據廣義相對論與物質復空間理論，軌道切線引力場會導致星系中的天體沿著軌道切線方向自由加速到一定速度，進而導致天體運動的線速度額外增加。根據物質復空間理論對質體運動本質的論斷，可推知“天體在不同的引力場環流半徑處，具有不同的自由環繞速度”。

流體旋渦在自然界中是普遍存在的，既然引力場是超循環的物質態，那么宇宙中必然存在大量的引力場渦旋效應。天文觀察中大量的旋渦星系，也佐證了這一論斷。鑒於宇宙中暗物質的引力效應顯著大於普通物質的引力效應，我們可以推斷“星系的引力場渦旋是天體公轉運動的主要動力源泉”，這一論斷對廣義相對論基本的時空觀也是兼容的。

因引力場的渦旋效應帶來的天體的自由環繞速度，不需要向心力的約束。設v為天體的公轉速度，v₀為天體的自由環繞速度，θ為渦旋引力場的切線與天體和引力場質心連線的夾角，在引力場渦旋效應下天體運動的動力學平衡方程為：

GM/R×cosθ=(V−V0)/R

上式中，當θ趨近於0時，引力場的旋量V₀也趨近於0。此時，天體運動的動力學平衡方程回歸到牛頓萬有引力定律適用的小尺度空間。為了便於我們理解流體旋渦運動的變化規律，請參考圖2。

  圖1.引力場漩渦的場效應分析   

 圖2. 流體旋渦運動的實體模型

圖4中，Q表示星系中天體的質量與引力場強度及其矢量分解比值的大小；表示距離星系中心半徑R之內的天體質量之和；tgθi表示星系中天體的引力場旋量與引力場向心矢量的比值，隨著天體與星系中心的距離增大，該曲線則須要同步前移；Σ|gi|表示星系中各天體的引力場強度的標量和。星系中天體的軌道運動與引力勢陷內的向心運動存在著不同的運動規律:遠離引力勢陷，引力場的旋量相對增加，引力場的向心矢量相對減小。因此，遠離星系中心，外圍天體的軌道運動是漸進自由的。

圖3. 星系自旋速度的期望值與現實值之間的巨大差異

   圖4. 星系內部質量的典型分布與場效應 

圖3表示的是一般渦旋星系中天體實際的公轉速度與根據牛頓萬有引力定律計算的理論公轉速度之間的巨大差異。圖4中所描述的星系內部質量的典型分布與場效應，則可以很好地揭示出圖3中天體公轉運動的規律。因此，宇宙標準模型中超出普通物質數倍的暗物質是不存在的，所謂的暗物質只是引力場空間（即物質虛態）超循環運動的場效應。

那么，為什麼超稀疏星系幾乎不存在暗物質效應，超稀疏星系的引力勢相互遠離，星系內部空間的渦旋效應大幅降低，因此適用於牛頓萬有引力公式。

1933年，天體物理學家茲威基（Fritz Zwicky）利用光譜紅移測量了后髮座星系團中各個星系相對於星系團的運動速度。利用位力定理，他發現星系團中星系的速度彌散度太高，僅靠星系團中可見星系的質量產生的引力是無法將其束縛在星系團內的，因此星系團中應該存在大量的暗物質，其質量為可見星系的至少百倍以上。史密斯（S. Smith）在1936年對室女座星系團的觀測也支持這一結論。不過這一概念突破性的結論在當時未能引起學術界的重視。1939年，天文學家巴布科克（Horace W. Babcock）通過研究仙女座大星雲的光譜研究，顯示星系外圍的區域中星體的旋轉運動速度遠比通過克卜勒定律預期的要大，對應於較大的質光比，這暗示著該星系中可能存在大量的暗物質。1940年奧爾特對星系NGC3115外圍區域星體運動速度的研究，指出其總質光比可達約250。1959年凱恩（F. D. Kahn）和沃特（L. Woltjer）研究了彼此吸引的仙女座大星雲和銀河系之間的相對運動，通過它們相互靠近的速度和彼此間的距離，推論出我們人類所處的本星系團中的暗物質比可見物質的質量約大十倍。——這些天文觀測數據表明，天體系統的結構越大其所表象的暗物質效應越顯著。考慮到大尺度上暗物質效應的各向異性，引力場渦旋效應對暗物質的解釋是充分自洽的。

一些物理學家認為“暗物質誕生於宇宙大爆炸並演化形成了維繫星繫結構的重要組成部分”，而宇宙誕生於某個特定值的正能量，其本身也是不自然的。根據物質復空間理論：空間、引力場、真空、以太、負能量（暗能量）、物質虛態（正電子態）是同一存在的不同稱謂，暗物質現象則是物質復空間超循環運動附帶的場效應。