那么下面我来说说暗物质的存在的证据到底有哪些。
这个首先一点,我们先放眼我们的银河系,银河系里面 有没有暗物质,事实上这是比较早的能证明暗物质存在的这个证据之一。
这个在讲之前,有一个很重要的关系我们必须要讲,叫开普勒
定律,开普勒定律就是上面这个式子所显示的,第一个,我们要用一下开普勒第三定律, 他告诉你一个天体运动的周期,就是P,和它
到这个中央天体的距离之间的关系,是这么一个关系。
然后呢 我们再用一下平方反比定律,就牛顿的,就是我们上次课讲的,你把它放上去, 然后最后你就得到下面的关系,v平方等于GM比上r。
这个下面这个式子告诉我们是什么, 告诉了我们,速度和距离之间的
关系是什么样子的,这个我们下面来看一个例子。
这个叫 旋转曲线,就是速度和距离的关系,我们叫旋转曲线,
这个是一个旋转木马,这个你们知道这个旋转木马的旋转曲线是什么样,就是说你离这个木马-
越远,你的速度怎么样变化, 哪个?
对,离中心越远,速度越大,这叫,用术语来说,这个叫刚性旋转,就是你们学理论力学的- 时候就会 学到,叫刚性旋转。
这个你如果画出这条,这个旋转曲线呢, 就是一条直线,往上的,就像刚才那个同学说的,离中心越远,速度越大。
这个斜率是多少呢?就是它转动的角速度,Ω,这个。
这个是太阳系,跟旋转木马又不一样了。
太阳系,太阳系我们知道,离太阳最近的是水星, 金星,地球,地球绕太阳一圈,绕一圈是一年,对吧。
这个你们知道木星绕着太阳转一圈是多长时间?12年。
正好12年,正好一个地支,它们在天空中,十二黄道星座里面,每过一年,
走一宫,所以在中国古代也被称为岁星。
岁星,木星。
这个你们知道太阳系的这个旋转曲线是什么样子的? 就是这个样子的,你们把刚才
开普勒定律加上牛顿平方反比定律用一下,就得到这么一条曲线。
这个水星的绕太阳的周期差不多58天,就是上面,看见没, 58天,然后呢,然后越往下,越往下越往下走,这个曲线成了一条,
其实跟你们在高中或者初中学的双曲线很类似的一条曲线,只是说你要开一个根号,就是下来- 就是这样。
这个是好理解的对吧,前面两个都是好理解的,先是一个刚性的,然后再是一个下来的。
那我来问你,银河系的旋转曲线是什么样的?这个是我们现在银河系的
这个图,我有过上课,学生问我,老师这个图是怎么拍的?
抱歉,这图不是拍的,这个跟大家说一下,这个图呢是我们制作的,
就是根据我们对天上星星的观测,有一套 非常复杂的理论来告诉你,这个银河系的全貌是这样。
事实上,在上个世纪初, 有好多天文学家倾其一生,就是做这个事情,就是看看银河系的结构到底是什么,银河系有几-
条旋臂啊, 银河系的旋臂的大小有多大,有大的旋臂,有小的旋臂,银河系的中心有没有一个棒状结构啊-
,就像这个地方,有没有一个棒状结构啊, 这是我们需要深刻了解的问题。
这个难点在什么地方呢? 就是我们自己就在银河系的里面,
所以这个,你要在里面把整个全貌看清楚,其实是挺难的一件事情,这个大家都好理解,对吧。
另外一点,这个有一个观点很奇特,这个观点认为什么呢, 我们,就是地球上,
社会科学经济相对发达的地方都在北半球, 对吧,我们现在悉数想想,人类文明好像主要都在北半球开始出现的。
四大文明古国,或者怎么样,包括现代工业化这个国家,都在北半球。
北半球有个什么弱点呢?这个你在夏天,你去看天空中银河的时候,
这个银星的方向,就是银河系中心的在人马座那个方向,基本上都在地平线附近,
就是如果,说的极端一点,就是如果你在山坳里, 就是你在山坳里,旁边有山的话,你可能根本就看不见那个
银河系的中心的样子,因为它离地面很低。
就是说这个观点认为,如果人类的文明是从南半球开始起来,因为在南半球,银河跨过天空,
这个银星的这个方向呢,人马座的这个方向,正好差不多可以从头顶的 这个附近,当然跟纬度有关,基本上从头顶的方向经过,你能看到银核
的全貌,这个时候呢,你能很快地推断出,银核是一个扁平的盘,
所以这是有一种,有一种观点是这么认为,就是有时候换一个思路去想想,兴许是有道理的。
就是说,如果是这样的话,兴许人类可以早一百年知道银河系的结构以及它的旋臂啊这些东西。
那么,这是我们测量的银河系当中的旋转曲线,
可以看到,跟前面的无论是旋转木马直线型的上升,
或者是太阳系的这个类似双曲线的这种下降, 它走了一个很奇怪的样子。
首先它先是一个很极端的快速的上升, 对吧,然后开始震荡,震荡完了之后呢开始整理
形成一条平的这个曲线,这个我们叫做平坦的旋转曲线,
就是难就难在这个这条曲线,这个东西是怎么回事,我们刚才的 差别太大,差别太大。
如果说前面那条上升你好理解,说刚性旋转嘛, 对吧,类似一个旋转木马,刚性旋转,只不过这个斜率很高,嘣的一下就上去了。
到后面这个这怎么来的,这个问题怎么来? 最大的问题就是说,这个比较一下,我把两个图放在一起,左边是太阳系的,往下,
右边是这个刚性,这个问题怎么来解决? 有两种方案。
第一种,牛顿引力错了, 为什么呢?刚才在做第一个曲线的时候,你用了牛顿平方反比定律对吧,
然后用了开普勒行星定律,开普勒行星定律呢是观测定律,我通过观测我发现的,这你没办法
否定掉,对吧,但牛顿平方反比定律,我可以说这个也许会出问题,
所以这个银河系的曲线,为什么是平的,第一点,牛顿错了,这个很诱人啊。
这个我就跟你们说了,这个打倒一个权威,你就成为权威了对吧。
都乐了,都是权威。
第二种,这个物质 没有集中在银河系的中心。
同样的,在我们计算前一个旋转曲线的时候, 你有一个假设,你类比了行星的系统对吧,行星的系统有一个
什么问题呢?在太阳系里边,99.9999%的质量都
集中在太阳上面,剩下的都几乎没有质量,这些行星,所以这个时候,你基本上形成了一个
质量高度集中在中心一点,你要说一点也行,然后旁边有一个天体在绕着它转的这么一个架势。
所以,这个你可以把这个条件释放掉,你想想,如果这个物质是蓬松的分布的,分布得很广,
会不会还有这样的一个现象?所以这个,你有两种选择。
这个在我们经典的教科书里面呢, 大家都认为,第一种可能性不存在,为什么呢,
这个太离经叛道了,牛顿错了,这个代价太大了,
对吧,这个所有的都要改,整个教科书,整个体系,整个自然科学的体系说不定都得改, 这个代价太大。
所以我们一般都说的是第二种情况, 就是说认为物质没有集中在银河系的中心,但是我要告诉你们一点。
世界上有很多科学家,包括我在内,都在研究第一种可能性。
为什么呢?因为你没有理由,这个 至少到目前为止,你没有理由把这两种都一棍子全部拍死。
这个目前没有说,就是牛顿或者是物质这两方面到底谁对谁错,没有决定性的证据能证明- 这一点,
大家都希望能找到决定性的证据。
就是说,好多科学家,我跟他们交流,他们都认为说,包括绝大多数做理论的, 人说,我宁愿在我活着的时候,有人能证明我的理论
是错的,通过实验来证明,那我觉得也很有价值。
最担心的是什么呢,提出了一个理论,一辈子,第一没人理,这是最倒霉的,对吧,第二, 都没法证明是对的还是错的,这其实挺难受的。
因为中国人讲究盖棺定论,其实人家多多少少也有点 这个道理,所以这个。
但今天我们认为呢,尽管我个人啊,做的是 前者,但我们今天讲的是后者,这个经典教科书嘛,这个太离经叛道的这个
目前还不太适合,我们先从,至少我们从另外一个角度先把这个问题,就是下边这个问题我们- 先讲清楚。
这个有一种假设就是这样的,物质没有集中在银河系的中心, 在太阳轨道一带呢,可能有一千亿个太阳的物质,
那如果你把这个数字翻倍呢,物质也会随着翻倍,然后再翻倍,就这样形成了一个物质分- 布下去。
这个时候,你会发现,其实绝大多数银河系中的 物质都在太阳的轨道之外,都在一个很大的外面的这个范围之内,
这个范围有多大呢,大概是银盘的十倍,十倍大。
这个里面呢包含了很多不发光的物质,或者绝大多数都是不发光的物质所构成的。
因为为什么呢, 要是发光的话,我们早看到了,对吧,你想,比它多十倍呢,闹呢,这肯定早看到了。
这个呢是我们目前的这个知道,就是根据刚才那幅图像画出来这个图,
这个是我们现在所知道的银河系的这个侧面的结构,跟我们从这个
这个在地球上看那个银河是两个概念,我们从侧面,我们又跳到银河系外面去了,就这条蓝色-
的是银盘, 其实就是在天空中投影看到的银河,看到它是一个很薄的盘,
中间呢这个椭球形的这个东西呢,叫核球, 核球是年老的恒星所构成的一个球形的这个,这个东西转动起来,类似
于刚性的旋转,所以你看到,旋转曲线一上来是一个刚性上升的这么样一个架势。
这个东西,这一条带呢,这个盘呢是由发光的物质组成的,恒星啊、 星云啊这些东西所组成的,所以我们能看到它,
这个红色的点呢,是球状星团, 年龄呢差不多跟宇宙同样大,120亿年的样子,分布在银河系的外面,球状星团,这个随机-
分布的, 这个也是发光物质,但其实球状星团亮度很暗,肉眼很少能看见,南半球有一个可以用肉-
眼看见, 这个剩下的更多的更大的,就是一个由不发光的物质所组成的晕。
这个晕有多大呢,差不多十倍,然后整个弥漫在整个的这个空间当中,所以这是我们目前 对银河系结构的这个大的框架。
当然还有很多很细节的这个东西在这个里面。
这就告诉我们,银河系中,不发光的物质比发光的物质至少要多十倍。
对吧,刚才那张图已经告诉我们了,如果我们认为物质没有集中在银河系中心的话。
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