暗物质的答案和定量计算.doc

暗物质的答案及定量计算亦民科摘 要 暗物质就是大爆炸光子和第一代恒星辐射的光子因冷却、红移失去的能量；定量计算肯定了这一决定性的结论；预言了暗物质存在于星系之外，形成不规则的环状分布，其平均温度约为19.27K；暗物质不是粒子物质；宇宙年龄应为193亿年；米尔格罗姆定律不成立等等。关键词 光子 冷却 红移 失去能量 暗物质61 引言观测证实，暗物质约占宇宙正总质量的23%1。如此普遍的存在，应该有久远的历史2，应该和宇宙创生有关。宇宙创生约200亿年以来，大爆炸之光子和第一代恒星辐射的光子（以下统称光子），由于宇宙膨胀降温，使光子冷却、红移。光子因此失去的能量可谓多矣。如今光子已衰减成只有2.7K的微波辐射。光子失去的能量到哪里去了？这是一个显然存在的问题。大爆炸光子产生于宇宙年龄约为三十万年之时1；第一代恒星形成于宇宙年龄约为三亿年（1016秒）3之时，也是恒星开始辐射光子之时。本文把这两种光子视为“同龄光子”，它们至今的年龄同视为193亿年4。本文认为，这些光子失去的能量，仍然存在于宇宙之中，这个能量就是暗物质，它具备暗物质的几乎全部性质。2 暗物质的性质性质1 看不见，不参与除引力之外的任何相互作用。性质2 历史久远，与宇宙创生有关5。性质4 温度低6。性质5 稳定。性质6 不是粒子物质（本文的结论）。性质7 由于星系内部的引力较星系外强很多，暗物质参与引力相互作用，故星系内部的暗物质早已被恒星吸积殆尽，所以暗物质只能以不规则的环状存在于星系之外。如果暗物质是由光子因冷却、红移失去的能量构成，它必定具备以上诸性质，理由是显然的。3 利用观测结果计算暗物质的质量，平均密度，平均温度鉴于宇宙总质量有正负解 (1) 7c-光速 -哈勃常数 G-引力常数有必要说明，暗物质是宇宙正总质量的一部份（负质量具有的负能量就是暗能量）7。观测证实暗物质占宇宙正总质量的23%，则Ma为Ma=1.28105623%=2.941055（克） （2）取宇宙半径=193亿光年（本文计算结果），1光年=9.4610 17厘米1，令光子失去能量的平均质量密度为，则有（3） 解得（克厘米） （4）计算暗物质的平均温度黑体辐射的温度由下式决定 （5）8因为暗物质不可视，故可当作黑体。 8将、代入（5）式，可得 （6）解得 （7）这就是暗物质的温度，显然是冷的。是假定平均分布于宇宙中的温度。以上算出的、可视为观测预言值，本文将作为理论计算的比较标准。设宇宙半径为Rc，令宇宙平均密度等于临界密度，则有 8 （8）解得 （9）（9）式所表之应为比较真实的宇宙半径，宇宙年龄应为193亿年。4 理论计算及与观测结果的对照所谓理论计算，就是利用背景光了的平均能量、相应的温度、背景光子的数密度、背景光子总数等，计算光子失去能量的总和、质量总和、平均密度、平均温度、从而计算出占宇宙总质量的比率B，看能否与观测预言的、以及B=(/)的比率是否相符。4.1计算对相关数据的取值背景光子温度宇宙总质量宇宙半径 宇宙体积 光速 辐射常数1光年=9.461017厘米光子平均能量表达式 （10）10T为绝对温度。波尔兹曼常数4.2 理论计算的一个实例取背景光子数密度，计算光子总数 （11）取光子温度从4000K降到2.7K，计算光子损失的总能量、总质量、平均质量密度、现今平均温度。（12）（13）（14）计算的现今平均温度将代入（5）式，有 (15)解得计算所占比率B (16)与观测值23%十分接近。本文计算出的、B都是暗物质的性质。4.3 理论计算的全部结果为了节省篇幅，本文的全部计算结果列于表1、2、3中，光子产生的温度T取4000K、3500K、3000K三个档次；光子数密度取5102103厘米-3六个档次。基本上涵盖了相关文献给出的不同T值和值。分别计算了、/，与观测预言值对照。计算方法和程序与上述实例完全相同。表1背景光子从4000K降到2.7K不同光子数密度的计算结果与观测预言值比较（cm）观测预言（g）理论计算（g）观测预言（gcm-3）理论计算（gcm-30）观测预言To（K）理论计算To（K）观测预言/（%）理论计算/（%）1032.9410554.2210551.1610-301.6610-3019.2321.072333.091022.9410553.8010551.1610.-301.4910-3019.2320.512329.781022.9410553.3810551.1610-301.3310-3019.2319.942326.471022.9410552.961055.1.1610-301.1610-3019.2319.272323.161022.9410552.5310551.1610-300.9910-3019.2318.522319.851022.9410552.1110551.1610-300.8310-3019.2317.722316.5表2 背景光子从3500K降到2.7K不同光子数密度的计算结果与观测预言值比较（cm）观测预言（g）理论计算（g）观测预言（gcm-3）理论计算（gcm-30）观测预言To（K）理论计算To（K）观测预言/（%）理论计算/（%）1032.9410553.7010551.1610-301.4510-3019.2320.372328.991022.9410553.3310551.1610-301.3110-3019.2319.862326.081022.9410552.9610551.1610-301.1610-3019.2319.272323.171022.9410552.5910551.1610-301.0210-3019.2318.662320.261022.9410552.2210551.1610-300.8710-3019.2317.932317.351022.9410551.8510551.1610-300.7310-3019.2317.162314.5表3 背景光子从3000K降到2.7K不同光子数密度的计算结果与观测预言值比较（cm）观测预言（g）理论计算（g）观测预言（gcm-3）理论计算（gcm-30）观测预言To（K）理论计算To（K）观测预言/（%）理论计算/（%）1032.9410553.1710551.1610-301.2410-3019.2319.592324.891022.9410552.8510551.1610-301.1210-3019.2319.192322.38022.9410552.5310551.1610-300.9910-3019.2318.522319.871022.9410552.2210551.1610-300.8710-3019.2317.932317.961022.9410551.9010551.1610-300.7510-3019.2317.282314.851022.9410551.5810551.1610-300.6210-3019.2316.472312.3由于相关文献给出的光子数密度有很大差异（在4102103之间）811，背景光子产生的温度在30004000K之间812，这些数据不可能都正确，最多只能有一个正确或接近正确。这就是本文对背景光子产生温度取三个档次、光子数密度取六个档次的原因。所以，本文给出的计算结果，最多也只能有一个正确或接近正确。表1、2、3就体现了这一点在表1、2、3中都有一个计算结果最接近观测预言值。这三个结果中也只能有一个正确或接近正确。5 本文的主要结论和预言（1）暗物质就是光子因冷却、红移失去的能量，不可能是别的东西。（2）暗物质不是一般意义上的粒子物质，而是由普朗克能量子（即光子频率每降低每秒一次失去的能量，其值等于6.62610-34焦尔）构成的物质。探测暗物质可以仿照测定普朗克常数之方法。（3）暗物质的平均密度约为1.1510-30克厘米-3,平均温度约为19.27K。这两个数值最接近观测预言值。（4）关于暗物质由粒子构成的预言是错的。（5）暗物质以不规则的环状存在于星系之外。（6）米尔格罗姆（Mordahai Milgrom）定律的提出，是基于一项观测结果：星系内恒星的加速度，不需要暗物质的存在就可以解释；而星系外恒星的加速度，必须用暗物质的存在才能解释。米氏认为是牛顿引力定律在加速度小于810-8cm/s2时失效。这就是米氏定律的内容9。本文给出的暗物质“性质7”，就合理地解释了这项观测结果。牛顿引力定律没有失效，米氏定律不成立。（7）虽然暗物质有19.27K的平均温度，但绝无任何辐射（因普朗克能量子是最小的能量单位）。相对于2.7K的背景辐射，仍然会形成不规则的“热斑”，有待观测证实。这可能是直接认证暗物质存在的最佳途径。（8）宇宙年龄为193亿年。6 支持本文的观测证据本文计算结果与观测对暗物质质量、平均密度、平均温度、所占比率的预言，如此地符合（见表1、2、3），已经得到观测证据的支持。但本文尚能举出另一个支持本文的观测证据。“美国宇航局2007.5.15公布了哈勃望远镜捕捉到的一个怪异、可怕的环状黑物质”，并附有照片。这可视为对本文指出的暗物质“性质7”的支持（详见：/zhang zy 33；点击正文左侧方框内“（63）神密的黑物质”，便可显示相关报导和照片）。感谢秦元勋教授、张操教授、焦善庆教授、黄志洵教授、谭暑生教授、须重明教授、朱永强副教授、徐宽副教授、季灏先生赠书赐教；感谢艾小白教授、何香涛教授、陈阳博士复信为笔者指点迷津；感谢好友谭启蔚先生、张崇安先生、张永林先生、次金生先生、赫甫先生的支持和帮助；感谢宋正海先生的一贯支持；感谢贤妻文英、女儿晓帆的支持和帮助。在笔者从事业余研究的四十多年生涯中，应该感谢的人太多了，不能一一列举，还望朋友们鉴谅。2010.11.9参考文献1何香涛，观测宇宙学（M），北京师大出版社，2007，113，133，290。2郝建宇，对宇宙间几个普遍性存在的物理思考，宋正海等主编，相对论再思考（论文集），地震出版社，2002，109。3李宗伟等，天体物理学（M），高教出版社，2000，448，489。4郝建宇，本文计算结果。5陆琰，宇宙学与暗能量，科学（J），（上海），2007年5月。6徐勋农等，暗物质及其探测，科学（J），（上海），2010年9月。7郝建宇，宇宙总质量正负解和宇宙加速膨胀兼回答暗能量为什么存在，预印稿。8方励之等，宇宙的创生（M），科学出版社，1998，98，65，127-128，101。9美