大質量光子能否解釋神秘的暗物質？

我們確實知道大尺度宇宙範圍中發生了一些有趣的事情(在這裡，“大尺度”的意思是至少和星系那樣大)。簡而言之，某些數字無法簡單的相加。

例如，當我們觀察一個星系，計算出所有熾熱發光的星體、氣體和塵埃時，我們得到了一定的質量。當我們使用任何其他技術來測量質量時，我們得到的數字要高得多。

因此，自然的結論是，並不是所有的物質在宇宙中都是熱的和發光的。如果它存在，那就是暗物質。

但是別急，首先我們應該檢查一下我們的數學。我們確定我們沒有搞錯了一些物理計算嗎？

當我們看到恆星圍繞它們的星系中心旋轉時，當然離中心較遠的恆星應該比離中心較近的恆星移動得慢。這是因爲銀河系的大部分質量擠進了核心，而最外層的恆星遠離所有這些東西，而通過簡單的牛頓引力，它們就應該沿着軌道緩慢懶散的運行。

但他們並沒有。

相反，最外層的恆星的運行速度和內部恆星運行速度一樣快。

因爲這是一場引力的遊戲，所以只有兩種選擇。要麼是我們把引力搞錯了，要麼就是有額外的隱形物質浸沒了每個星系。

據我們所知，我們得到的引力非常非常正確，所以只有另一種可能：暗物質。有些東西讓這些自由自在的恆星被困在它們的星系裡，否則它們會像失控的旋轉木馬一樣在數百萬年前被拋出。因此，有一大堆東西我們不能直接看到，但我們可以間接地探測到。

但如果這不僅僅是一場引力的遊戲呢？畢竟，自然界有四種基本力量：強核、弱核、引力和電磁力。他們中有誰能參加這場偉大的星系遊戲嗎？

強核只在微小的亞原子尺度上運作，所以它出局了。除了某些罕見的衰變和相互作用，沒有人關心弱核，所以我們也可以把它放在一邊。電磁力，很明顯，輻射和磁場在銀河系中起着作用，但是輻射總是向外推進(所以顯然不會有助於保持快速運動的恆星的束縛)，而銀河系磁場非常弱(不到地球自身磁場的百萬分之一)。

就像物理學中的每一件事一樣，有一條潛移默化的出路。就我們所知，光子-電磁力本身的載體，是完全無質量的。但是，觀察是觀察，在科學上沒有確切的證據，目前的估計是光子的質量不超過電子質量的2×10^-24。對於所有意圖和目的而言，對於任何人關心的任何事情，這基本上都是零。但是如果光子有質量，甚至低於這個極限，它可以對宇宙做一些非常有趣的事情。

隨着光子質量的存在，通過麥克斯韋方程，使我們理解電、磁和輻射的方式，呈現出一種修正的形式，形成了新的相互作用。

你能感覺到嗎？

新的相互作用相當複雜，取決於具體的情況。在星系的例子中，它們微弱的磁場開始感覺到一些特別的東西。由於磁場的糾纏和扭曲性質，大量光子的存在以正確的方式修正了麥克斯韋方程，增加了一種新的電磁力，在某些情況下，這種新的電磁力可能比引力更強。

換句話說，新的電磁力可能能夠保持快速移動的恆星，完全擺脫了對暗物質的需求。

典型的旋渦星系M33(黃點和藍點)的旋轉曲線和由可見物質分佈(白線)預測的旋轉曲線。這兩條曲線之間的差異是通過在星系周圍加一個暗物質暈來解釋的。

但這並不容易。磁場貫穿銀河系的星際氣體，而不是恆星本身。所以這個力不能直接作用於恆星。相反，該力必須讓氣體知道它的拉力，而且不知何故，氣體必須讓恆星知道這裡有一位新的“治安官”。

對於質量大、壽命短的恆星來說，這是相當簡單的。氣體本身正以最快的速度圍繞着銀河系核心，形成一顆恆星，恆星生存，恆星死亡，殘餘物很快返回氣體狀態，無論出於何種意圖和目的，這些恆星都模仿氣體的運動，給我們提供了我們所需要的旋轉曲線。

但小而長壽的恆星是另一種令人討厭的東西。它們與形成它們的氣體脫鉤，過着自己的生活，在它們崩潰之前繞着銀河系中心繞了許多圈。因爲他們沒有感受到奇怪的新的電磁力，他們應該完全遠離他們的星系，因爲沒有什麼能阻止他們。

事實上，如果這一假設是準確的，並且巨大的光子可以取代暗物質，那麼我們自己的太陽就不應該是今天的樣子。

更重要的是，我們有很好的理由相信光子真的是無質量的。當然，麥克斯韋方程可能並不在乎，但是狹義相對論和量子場理論確實如此。你開始搞亂光子質量，你有很多事情要解釋。

普朗克觀測到的宇宙微波背景

另外，每個人都喜歡星系旋轉曲線並不意味着它們是我們通往暗物質的唯一途徑。星系團的觀測，引力透鏡，宇宙結構的增長，甚至宇宙微波背景，都指向我們宇宙中某種看不見的成分的方向。

即使光子有質量，並且能夠以某種方式解釋星系中所有恆星的運動，而不僅僅是大質量的恆星，它也不能解釋其他觀測的主體(例如，一個新的電磁力如何解釋圍繞星系團的光的引力彎曲呢？)。換句話說，即使在充滿大量光子的宇宙中，我們也仍然需要暗物質。