这比暗物质与修正引力之间的比较要容易。如前所述,我今天将参加“科学星期五”节目,他们邀请我贡献一篇客座博客文章,我将在此处转发。对于长期关注CV的读者来说,这一定是旧闻了,但在此奉上。
--------------------
在流行的暗物质和暗能量讨论中,我遇到的最普遍的误解可能是,这些概念是对已被证伪的以太思想的回归。事实并非如此——实际上,它们恰恰相反。
在19世纪后期,物理学家们建立了一个令人难以置信的电磁学综合理论,由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的工作推向顶峰。他们成功地表明,这两种看似不同的现象是单一的“电磁学”的两种不同表现。麦克斯韦个人的一个重大成就是表明,这个新理论暗示存在以光速传播的波——事实上,这些波就是光,更不用说无线电波、X射线以及其他电磁辐射频谱了。
当时的困惑在于,波被认为是某种基础物质的振荡,就像水波在海洋上一样。如果光是电磁波,那么是什么在“振荡”呢?当时的答案是以太,有时被称为“光以太”,以区别于古典元素。这个想法有一个直接的推论:麦克斯韦对电磁学的描述在相对于以太静止时是适用的,但当我们在以太中移动时,其预测(例如光速)将会改变。物理学家们一直在寻找支持这一想法的实验证据,但尝试均告失败。迈克尔逊-莫雷实验尤其表明,光速在地球穿过空间时不会改变,这与以太理论似乎相矛盾。
因此,以太是一个理论概念,从未获得实验支持。1905年,爱因斯坦在狭义相对论中指出,如何在不提及以太的情况下保持麦克斯韦方程组的对称性,并从此将该想法打入科学史的垃圾桶。
以太是物理学家出于理论原因引入的一个概念,它消亡是因为其实验预测被观测所否定。暗物质和暗能量则相反:它们是理论物理学家从未想要的概念,但却被观测强加给了我们。
特别是暗物质,与以太毫无关系。它似乎表现得像一个普通的物质粒子,只是它没有电荷,也没有与已知物质粒子发生强相互作用。这种粒子并不难设想;粒子物理学家大约有十亿种不同的候选理论,实验在直接探测它们方面取得了巨大进展。但这个想法并非源于理论家们有什么不可抗拒的设想;我们是被迫的,是在几十年的星系和星系团观测证明普通物质远远不够之后,才不情愿地接受了暗物质。一旦这个想法被接受,你就可以在此基础上做出新的预测,而这些预测——例如在引力透镜和宇宙微波背景的研究中——一直在被证实。如果以太有如此多的实验支持,它早已被载入教科书了。
暗能量在概念上更接近以太——与以太一样,它不是一个粒子,而是一种填充空间的均匀成分。与以太不同,它*没有*“静止参考系”(据我们所知);无论你如何穿过它,暗能量看起来都一样。(更不用说它与电磁辐射无关——它是“暗”的!)当然,它是被观测强加给我们的,尤其是1998年宇宙加速膨胀的发现,最终赢得了2011年的诺贝尔奖。这一发现让世界各地的理论物理学家大吃一惊——我们知道原则上它是可能的,但几乎没有人真正相信它是真的。但当数据说话时,聪明的科学家会倾听。继这一惊人的发现之后,宇宙学家们根据暗能量的概念做出了其他预测,这些预测(与暗物质一样)一直在被证实:同样在宇宙微波背景方面,以及在宇宙大尺度结构的分布方面。
关于暗物质和暗能量,我们仍然有很多未知之处;特别是,我们当然还没有确定它们到底是什么(尽管我们有很多合理的想法),并且我们探测到它们的方式都是间接的,通过它们在宇宙引力场上的影响。但它们并非是任意的;这两个概念都对这些引力效应做出了非常*具体的*预测,而天文学家们已经进行了测试和验证。与在实验审查下逐渐消失的以太不同,支持暗物质和暗能量的证据仍在不断增长。













