大质量的光子能否解释暗物质

我将是第一个承认我们不了解暗物质的人。我们确实知道大尺度宇宙范围中发生了一些有趣的事情(在这里，“大尺度”的意思是至少和星系那样大)。简而言之，某些数字无法简单的相加。例如，当我们观察一个星系，计算出所有炽热发光的星体、气体和尘埃时，我们得到了一定的质量。当我们使用任何其他技术来测量质量时，我们得到的数字要高得多。因此，自然的结论是，并不是所有的物质在宇宙中都是热的和发光的。如果它存在，那就是暗物质。

但是坚持住。首先我们应该检查一下我们的数学。我们确定我们没有搞错了一些物理计算吗？

暗物质细节

暗物质之谜的一个主要部分(尽管肯定不是唯一的，这将是本文后面的重要部分)以所谓的星系旋转曲线的形式出现。当我们看到恒星围绕它们的星系中心旋转时，当然离中心较远的恒星应该比离中心较近的恒星移动得慢。这是因为银河系的大部分质量挤进了核心，而最外层的恒星远离所有这些东西，而通过简单的牛顿引力，它们就应该沿着轨道缓慢懒散的运行。

但他们并没有。

相反，最外层的恒星的运行速度和内部恒星运行速度一样快。

因为这是一场引力的游戏，所以只有两种选择。要么是我们把引力搞错了，要么就是有额外的隐形物质浸没了每个星系。据我们所知，我们得到的引力非常，非常正确，所以只有另一种可能：暗物质。有些东西让这些自由自在的恒星被困在它们的星系里，否则它们会像失控的旋转木马一样在数百万年前被抛出。因此，有一大堆东西我们不能直接看到，但我们可以间接地探测到。

但如果这不仅仅是一场引力的游戏呢？毕竟，自然界有四种基本力量：强核、弱核、引力和电磁力。他们中有谁能参加这场伟大的星系游戏吗？

强核只在微小的亚原子尺度上运作，所以它出局了。除了某些罕见的衰变和相互作用，没有人关心弱核，所以我们也可以把它放在一边。电磁力，很明显，辐射和磁场在银河系中起着作用，但是辐射总是向外推进(所以显然不会有助于保持快速运动的恒星的束缚)，而银河系磁场非常弱(不到地球自身磁场的百万分之一)。

就像物理学中的每一件事一样，有一条潜移默化的出路。就我们所知，光子-电磁力本身的载体，是完全无质量的。但是，观察是观察，在科学上没有确切的证据，目前的估计是光子的质量不超过电子质量的2×10^-24。对于所有意图和目的而言，对于任何人关心的任何事情，这基本上都是零。但是如果光子有质量，甚至低于这个极限，它可以对宇宙做一些非常有趣的事情。

随着光子中质量的存在，麦克斯韦方程，即我们理解电、磁和辐射的方式，呈现出一种修正的形式。数学中出现了额外的术语，并形成了新的相互作用。

你能感觉到吗？

新的相互作用相当复杂，取决于具体的情况。在星系的例子中，它们微弱的磁场开始感觉到一些特别的东西。由于磁场的纠缠和扭曲性质，大量光子的存在以正确的方式修正了麦克斯韦方程，增加了一种新的电磁力，在某些情况下，这种新的电磁力可能比引力更强。

换句话说，新的电磁力可能能够保持快速移动的恒星，完全摆脱了对暗物质的需求。

典型的旋涡星系M33(黄点和蓝点)的旋转曲线和由可见物质分布(白线)预测的旋转曲线。这两条曲线之间的差异是通过在星系周围加一个暗物质晕来解释的。

但这并不容易。磁场贯穿银河系的星际气体，而不是恒星本身。所以这个力不能直接作用于恒星。相反，该力必须让气体知道它的拉力，而且不知何故，气体必须让恒星知道这里有一位新的“治安官”。

对于质量大、寿命短的恒星来说，这是相当简单的。气体本身正以最快的速度围绕着银河系核心，形成一颗恒星，恒星生存，恒星死亡，残余物很快返回气体状态，无论出于何种意图和目的，这些恒星都模仿气体的运动，给我们提供了我们所需要的旋转曲线。

小恒星的大麻烦。

但小而长寿的恒星是另一种令人讨厌的东西。它们与形成它们的气体脱钩，过着自己的生活，在它们崩溃之前绕着银河系中心绕了许多圈。因为他们没有感受到奇怪的新的电磁力，他们应该完全远离他们的星系，因为没有什么能阻止他们。

事实上，如果这一假设是准确的，并且巨大的光子可以取代暗物质，那么我们自己的太阳就不应该是今天的样子。

更重要的是，我们有很好的理由相信光子真的是无质量的。当然，麦克斯韦方程可能并不在乎，但是狭义相对论和量子场理论确实如此。你开始搞乱光子质量，你有很多事情要解释。

普朗克观测到的宇宙微波背景

另外，每个人都喜欢星系旋转曲线并不意味着它们是我们通往暗物质的唯一途径。星系团的观测，引力透镜，宇宙结构的增长，甚至宇宙微波背景，都指向我们宇宙中某种看不见的成分的方向。

即使光子有质量，并且能够以某种方式解释星系中所有恒星的运动，而不仅仅是大质量的恒星，它也不能解释其他观测的主体(例如，一个新的电磁力如何解释围绕星系团的光的引力弯曲呢？)。换句话说，即使在充满大量光子的宇宙中，我们也仍然需要暗物质。

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