[轉載]“暗能量”與“暗物質”的“同一性”討論－IT工程師數位筆記本

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“暗能量”與“暗物質”的“同一性”討論

楊明昆王嚴學楊昭國

1.“暗能量” ［1］

暗能量在宇宙中各向同性，密度非常小，且不與通常物質發生任何除引力之外的已知的相互作用（即電磁、強、弱相互作用）。

暗能量的密度（ρ0）又非常之小，大概10?29 克/厘米3，因此地球上的實驗室應當很難直接發現它。暗能量應該充滿了所有的宇宙空間，目前的兩類暗物質理論——宇宙常數理論和基本標量場理論，都包含了暗能量的兩種重要性質——均勻和負壓。

2.“暗物質”

在宇宙學中，暗物質是指無法通過電磁波的觀測進行研究，也就是不與電磁力產生作用的物質。人們目前只能通過引力產生的效應得知，而且已經發現宇宙中有大量暗物質的存在。

美國女天文學家薇拉· 魯賓觀測星系轉速時，發現星系外側的行星旋轉速度較牛頓引力預期的快，故推測是有數量龐大的質能拉住星系外側組成，以使其不致因過大的離心力而脫離星系。［2］

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圖1

據國外媒體報道，傳統理論認為宇宙中的暗物質應該是緊密地聚集在星系的中心，但最近一項新的研究表明，暗物質均勻地散布在星系之中。［3］［4］

3.“同一性”

3.1“引力作用”

3.1.1“引力”與“質量”

“萬有引力”源于“質量”。根據牛頓定律，若設質量分別為M、m的兩質點間的作用力為F，G為引力常數，r為兩質點間的距離，則有①：

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3.1.2“質能方程”

愛因斯坦質能方程式②：

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其中，E表示能量，m代表質量，而c則表示光速常量。

3.1.3“暗物質”的“質量”與“暗能量”的“能量”

因為“引力”源于“質量”，而“暗物質”產生“引力”，所以我們可以認為，“暗物質”具有可以產生“引力”的“質量”。

“暗能量”“不與通常物質發生任何除引力之外的已知的相互作用”，亦昭示著“暗能量”含有“質量”的“基因”。

我們假設“暗能量”與“普通能量”一樣也滿足“質能方程”，即若“暗能量”為E0，則E0=m0c2，其中c為光速常量，m0就是“暗能量”E0的“質量”，稱為“暗能量質量”。并且，“暗能量”E0的“引力效應”，就是“暗能量質量”m0產生的。

于是，“暗物質”的“質量”與“暗能量”的“能量”，在“擴展了的”“質能方程”下，就得到了“統一”。不僅如此，我們還把產生“引力效應”的“原因”“統一”于“質量”之下：“普通物質質量”、“暗物質質量”和“暗能量質量”。

也就是說，凡是具有“質量”的“物質”，無論是“普通物質”，還是所謂的“暗物質”、“暗能量”，都產生“引力”且滿足“萬有引力公式” ①。

或者說，在上述“廣義的‘能量’、‘質量’”以及其滿足的“擴展了的‘質能方程’”下，“引力”的來源和遵循的定律公式都是“等效同式”的。

因此，有“質量萬有引力公式” ①，也可以有“能量萬有引力公式”③：［5］

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其中，F為兩“能量點”（或“能量中心”）之間的作用力，G為引力常數，E、E2分別為兩“能量點”（或“能量中心”）的能量，r為兩“能量點”（或“能量中心”）間的距離。這里的“能量點”（或“能量中心”）的“能量”，可以是“普通能量”，比如“球狀閃電” 的“能量球”，也可以是“暗能量”。

3.2“均勻分布”

“暗能量”或“暗物質”在宇宙空間中，都是均勻分布的。［1］［3］［4］

3.3“難發現”

由于“暗能量”或“暗物質”，都不與通常物質發生任何除引力之外的已知的相互作用，因此很難直接發現它。

3.4“密度小”

暗能量的密度（ρ0）非常之小，大概10?29 克/厘米3。

3.5“作用方式”

若設在球面Q上作環繞運動（圓周運動）的物體的速度大小為v，中心質量為m，球面半徑為r，G為引力常數，則有r=Gm/v2，即v2=Gm/r，亦即④：

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“中心質量”m會對球面Q上作環繞運動的天體產生“引力”。

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圖2

3.5.1“球狀均勻分布”

因為“暗能量”或“暗物質”，在宇宙空間中是“均勻分布”的，所以“暗能量”或“暗物質”可以看成是圍繞“中心質量”“球狀均勻分布”。

若設到質量中心為r的球體（體積為4πr3/3）內的“暗能量”或“暗物質”的能量為E0，根據“質能方程”，則有其質量m0=E0/c2=ρ04πr3/3=（4πρ0/3）r3。

3.5.2“中心引力作用”

“能量球面”或“球狀能量”的“能量”對球面或球外的作用力，與其集中于球心一點的作用力是“等效的”；“能量球面” 或“球狀能量” 對球面或球外的相互作用是以一個“整體”呈現的——相當于全部集中在球心。［6］

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圖3

可見，“質量中心”產生“引力”的“質量”有兩個：一個是“普通物質質量”m，另一個是“圍繞質量中心均勻球狀分布”的“暗能量質量”或“暗物質質量”m0=（4πρ0/3）r3。

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圖4

所以，若設某個天體Q到繞質量中心旋轉的半徑為r，則天體Q“受到的來自質量中心的‘萬有引力’”，是由“質量”M產生的，而M=m+m0。

3.5.3“環繞速度”

若設上述天體Q的環繞速度的大小為v，則由④有：v2=GM/r=G(m+m0)/r=Gm/r+Gm0/r，即v2=Gm/r+Gm0/r。

若取G=6.67×10-11 牛頓·米2 /千克2，π=3.14，ρ0=10?29 克/厘米3=10?26千克/米3，則有：Gm0/r=（4πGρ0/3）r2=（2.79250666667×10-38）r2。

所以，v2=Gm/r+（2.79250666667×10-38）r2。

可見，天體Q的旋轉速度的平方由兩部分組成，一部分是中心質量產生的Gm/r，其大小隨半徑r的增大而減小；另一部分是由“暗能量質量”或“暗物質質量”產生的（2.79250666667×10-38）r2，隨著半徑的增大在增大，是一個變量，是一個不斷增大的數值。

若設v12=Gm/r，v02=（2.79250666667×10-38）r2，則有v2=v12+v02。由于r2的系數較小，在10-38數量級，當r不大時，v02太小了，對v2的影響很小。也就是對天體Q的旋轉速度影響很小。所以，在一個“較小尺度內”——“恒星—行星系統內”，比如在太陽系內，其表現很“微弱”、“作用不明顯”，幾乎沒有影響；但是，在“星系團”或“超星系團”等“中尺度”上，比如在銀河系的中部或邊緣部分，隨著半徑r的增大r2增大明顯，其影響逐漸增加。

當r＞=5.37kpc時,“暗能量質量”或“暗物質質量”在星系中心產生的“引力”，已經上升到了“不可忽視”的程度了，其影響開始明顯。［7］

3.6“作用表現”

3.6.1“星系旋轉速度曲線” ［7］

在銀河系里的“中尺度”上，“普通中心質量”與“暗能量質量”或“暗物質質量”，兩者在r=2427.695kpc（791.817萬光年）的“T”點對恒星的速度影響“相當”，其結果是保持了“v2的穩定”。因此，在距離銀河系中心大約5.37kpc＜r＜2427.695kpc的廣大區域里，恒星的旋轉速度曲線是平坦的。

“T”點向外，m0對恒星的“引力作用”，將大于m對恒星的“引力作用”，并且m0的“增大”“幅度”大于m的“減小”“幅度”，所以當r＞2427.695kpc時，在“更大尺度”上，隨著半徑的增大，恒星的速度將逐漸增大，恒星的旋轉速度曲線也將緩慢上升，并呈現“線性關系”。

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圖5