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user: 4. 以太的宇观作用 我们把星系、星系团的世界称为“宇观”。作为物理真空，以太无处不在。微观以太与宏观以太有所不同，那么，宇观以太是否会有什么特殊之处呢？ 4.1. 暗物质问题 天文学家可以通过两种方法来确定星系的质量。一是通过测量星系的光度来计算出该星系的光度学质量。二是测量星系里天体的相对速度来求得星系的动力学质量。令人大伤脑筋的是，这两种方法求出的结果竟是大相径庭：光度学质量远小于动力学质量。这被称之为“质量缺失”现象。对此，目前的主流科学认为：宇宙中还存在着大量的，不参与电磁相互作用的，非重子的暗物质。星系的平直型旋转曲线以及引力透镜效应观测结果都暗示暗物质的存在。另外，现代宇宙学的理论很需要暗物质论，因为早期宇宙经过暴胀以后，宇宙学密度保持为1，而在暴胀中，重子物质不可能迅速合成，它的密度远小于1，因此，宇宙物质的绝大部分应该是非重子物质的暗物质。不过，这些只是理论上的间接的推测，在实验上，至今没有发现足以说明问题的暗物质粒子。 一般认为，暗物质主要由人类尚未认识的物质所构成，于是，目前有些以太论者认为，以太就是暗物质。但这里忽略了一个基本的事实：到目前为止，暗物质的存在还仅仅表现于宇观世界，比如，在银河系里，若不考虑有质量，有引力作用的暗物质的存在，那么，天体的运动规律，已完全背离了牛顿的力学规则。而以太不只存在于宇观世界，也存在于宏观世界，但在太阳系世界，行星的运动规律完全符合牛顿的力学规则，丝毫不用考虑暗物质的作用，这里的暗物质(如果存在，它们的质量总和将相当大)的万有引力作用到那里去了呢？实际上，以太就是物理真空，它是无所谓质量的，与所谓的有质量的暗物质无直接关系。 另一方面，有人认为，牛顿力学定律具有局限性，在宇观世界，对它应作适当的修正，从而避免暗物质的引入，这是以往的暗物质替代理论的基本思想。比如，以色列物理学家密尔格罗姆(M. Milgrom)提出了“牛顿动力学修正理论”(Modified Newtonian Dynamics 简称MOND理论) [ 24 ] 。在这里，他引入了一个常数 ，当引力加速度远大于 时，牛顿第二运动定律照常适用，即引力与加速度成正比；但当引力加速度小于 时，牛顿第二运动定律就得修改了，这时引力与加速度的平方成正比。这一修正理论能很好地复现观察数据，如旋涡星系中的轨道速度不是随着到星系中心距离的增大而不断下降，而是逐渐趋向于一个恒定的值；这个恒定的速度值与星系质量的4次方根成正比，在这方面它是优于暗物质论的。因此，它被看作是最成功的暗物质替代理论。不过，这一修正理论缺乏基础性的理论依据，只是一种为了解释已知的观察数据而建立起来的“现象性理论”。而且，它对富星系团内部的“质量缺失”不能很好地进行描述，对引力透镜现象也无法进行解释。可见，这一修正理论不太理想。 那么，是否存在一个既能不借助于暗物质，又带有一定基本性的理论呢？这是有可能的。 4.2. 引力场不是全宇宙性的场 暗物质论和MOND理论都存在着一些欠缺。不过它们有一个共同点，那就是都把引力场当作了可以支配万物的全宇宙性的场。目前已知的三种基本的相互作用都有着明显的区间作用性：在原子核内部，作为强相互作用的色场起着主要作用；在原子世界，电磁场占着主导地位；引力场的作用在微观世界是微不足道的，到了太阳系世界，它才成了支配天体运动的主宰。既然，引力场不能在微观世界发挥明显的作用，怎能认为它能独霸宇宙呢？微观、宏观、宇观是人为规定的，设想在电子上有一种特殊的有智慧的生物，它们可以将原子世界称作“宏观”，而将我们的宏观当作是它们的“宇观”。如果我们的宇观场就是宏观中的引力场，那么，它们的“宏观场”(电场)，也可等同于它们的“宇观场”(引力场)，但这是不成立的。可见，引力场不会是全宇宙性的场，而只是一种宏观场。实际上，引力场强度对应以太密度梯度，意味着引力是以太连续性的一种属性，当以太密度小到一定程度，以太失去了连续性，引力也将趋于消失。因此，引力场的作用是有限的，在比宏观更大的宇观空间里，还会存在着不同于引力场的宇观场。所谓的“质量缺失”现象，应该是存在着宇观以太场作用的反映，而不是存在着什么“暗物质”。这就是说，牛顿力学在宇观世界仍然成立，但万有引力公式不能完全描述宇观世界的相互作用。 4.3. 宇观以太场作用论 宇观世界，空间尺度以十万光年、百万光年计，距离用“标准烛光”等确定；光度用谱线的“速度弥散”等指示；年龄用Hubble定律等估计；质量用质光关系和位力定理等计算；这些方法都有较大的近似性。牛顿力学虽然有一定的局限性，但它的表达方式简单、明了。我们就参照这一表达方式来对宇观以太场作用的描述进行初步尝试。 4.3.1. 宇观以太场的基本假设 电、磁、引力等有着相同形式的力的表达式： 。 是恒量，对电力来说， 、 代表 二个电荷值；对引力来说， 、 代表二个质量，即引力荷值，等等。对宇观力也可以设想有同样的形式。 假设1：二个宇观荷( 、 )能相互吸引，这宇观以太场的作用力(简称宇观力) 的大小为： (26) 其中 为宇观力恒量， 是它们中心之间的距离。 那么，如何来确定宇观力荷的值呢？大家知道，电荷、质量都是物质的属性，探讨宇观力荷也应该从天体的物质性入手。另一方面，宇观力的特点是在一定范围内，空间越大，它的作用越明显，这显示宇观力荷有一定的空间广延性。质量是没有空间广延性的，它对应的是相对于基态的以太密度增量。打个比方，实物好比是以太海洋中一座座岛屿的露出水面部分；万有引力就是这些露出水面部分岛屿之间的相互作用。由此推想，宇观力荷可能与包括水下部分的整座“岛屿”有关。在实物周围存在着广延性的引力势，引力场强度就是引力势的梯度。那么，整座“岛屿”应该同引力势有关，它对应的是以太密度，具有空间广延性。另外，AB理论指出 [ 25 ] ，场强是欠定的，而势是超定的，因此势是比场更基本的实在。引力势应该是比引力场更基本的物理实在，宇观荷应该与它有关。结合有关的观察资料，我们提出如下假设。 假设2：在有效半径 内，天体的宇观荷与天体的引力势的体积分的正平方根成正比： (27) 其中 是常数， 是天体的质量， 是离开质心的距离， ， 是以 为半径的球体积， 是宇观效应常数，(负数，当 相当大时，可略去不计。)； ， 、 是常数；这表达式显示，天体的宇观荷 随着 的增加而变大，但当 时， 不再增加。这里意味着：宇观荷与以太的量的正平方根成正比，而 是引力场作用的有效距离。 近似地，我们可以将天体的宇观荷的分布看成是球对称的，那么，以天体的质心为球心， 为半径作球面，在这球面内的天体质量之和，称为有效质量；由(27)式计算出来的宇观荷称为有效宇观荷，可以把它们看成全集中在球心，以此来计算离质心 处的宇观力或加速度等。 以上二个假设是否成立，要看由它们推算出来的结果能否与观察数据相符。下面就此作下分析。 4.3.2. 宇观场分析 由假设2，当 相当大， 可略去不计时，天体的有效宇观力荷是： (28) 结合假设1，质量为 、 的二个天体之间的宇观力应分三种情况： a、二者的距离都在它们的有效半径之内时： ，(与 无关) (29) b、二者的距离在 的有效半径之内，在 的有效半径之外时： ，(与 成反比) (30) c、二者的距离都在它们的有效半径之外时： ，(与 平方成反比) (31) 在星系的外围，物质作绕星系的圆周运动。在这种情况下，可设外围物质处于星系的宇观力荷分布的有效半径之内，而星系的质心处于外围物质的宇观力荷分布的有效半径之外，应该用(30)式计算；而且，由于我们观察到的天体的质量一般都相当大， 可略去不计。于是，外围物质的向心加速度 应该是引 力加速度 与宇观力加速度 之和： ，( ， 是外围物质轨道运动速度， 是星系的有效质量，)。于是， 。因此，在星系的外围( 已足够大)，物 质的轨道速度将趋向于定值 ，这与观察资料相一致。 轨道速度为 时，向心加速度的平方 ，这里显示了与MOND理 论和观察数据相符的关系，即引力与加速度的平方成正比，速度的4次方与天体质量成正比的关系。因此，在我们看来，MOND理论是在这样情况下的一种近似：外围物质处于星系的宇观力荷分布的有效半径之内，而星系的质心处于外围物质的宇观力荷分布的有效半径之外，而且，宇观以太场的作用远大于引力场的作用，引力场的作用可以略去不计。然而，在富星系团内部，引力相互作用比较大，不应该被略去，这是MOND理论不适用于富星系团的原因。 原来，人们以为天体的加速度都是引力加速度；现在，天体的加速度应该是引力加速度与宇观力加速度之和。这说明，以往通过引力定律计算出来的天体的质量，其实不是纯粹的引力质量，其中还包含着由宇观力造成的“宇观质量”。设天体的质量为 ，它包括引力质量 和宇观质量 即 。 天体的引力加速度，以往用 计算，现在应该用 计算，由这二式可得： (32) 宇观质量 就是所谓的“暗物质”的来源。它不是恒定的，由(32)可知，它与 成正比，即天体离开星系质心的距离越远，根据它的运动状态，运用牛顿定律计算出来的星系的“暗物质”越多。它是由内向外逐步增加的。过去，当人们分别用一个星系内部的天体和一个星系外围的天体来计算该星系的质量时，得出了不同的值，这时，一般不怀疑前者的结果，而认为后者是受到了暗物质的作用，这样就把星系内部的 等同于 ，而将外围的 当作是“暗物质”。这是产生“暗物质”分布在星系外围的“假像”的缘故。 另外，MOND理论不能正确地处理与引力透镜有关的运动 [ 26 ] ；而我们的理论可以解释引力透镜现象：光子是具有动态质量的粒子，它有引力势，就具有宇观荷，也参与宇观场的作用，所以，光线在引力场或宇观场里都会弯曲，而产生透镜现象。星系的宇观力远大于引力，宇观的“引力透镜”现象，其实主要是“宇观力透镜”现象。 4.3.3. 星系的旋转曲线 对于S型光谱的盘状星系，用球极坐标系，它的天体物质的密度分布的近似公式为 [ 27 ] ： 。 (33) 用(33)式计算星系的有效的引力质量是相当复杂的。我们发现，可以用(34)式对实际的星系旋转曲线作近似的模拟表达： ， (34) 其中 是 时的天体的有效质量； 、 是系数，它们与星系内部的实物分布状态有关。当 时， 可以由 的值确定；对于盘状星系来说，它的盘处的 在3左右；对于盘星系的核或椭圆星系，它们的 大约为4。 如上面所指出，宇观天体的纯粹的引力质量远比我们所知道的要小。设想有一个与银河系类似的星系，它的质量 ，它的半径 。为方便起见，下面的质量单位是 ；绕星系 的旋转速度为 ，单位km/s; 距离单位kpc。 为了用(34)式模拟星系的旋转曲线，我们来看一下(34)中不同参数对曲线形状的影响(图5、图6的横坐标是离开星系中心的距离，单位kpc；纵坐标是旋转速度，单位km/s.)。 1) 相同， 不同的曲线对比。如图5所示，设 ， 时， ，那么 . 对于A线， ， ， ，对于B线， ， ， ， 图5显示， 越小，星系旋转曲线的峰值越靠左。 2) 同一条曲线， 分段不同( 时， ； 时间， )如图6所示，这盘状星 图5. 二个质量分布不同的星系的旋转曲线 图6. 质量分布如(35)式所示的星系旋转曲线 系，当 时，它的旋转速度 ，那么 。它的质量分布在星系核( )和盘上( )分别是: . (35) 图6的旋转曲线与银河系很相近 [ 28 ] . 上面的对比图例显示，我们可以根据实际的星系曲线，运用(34)式，分段取不同的参数 和 ，建立该星系曲线的数学表达式，从而可进一步分析该星系的结构。