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                  我們怎麽知道宇宙中存在暗物質與暗能量?
                  2017-08-18 |文章来源: 科普中国| 浏览次数:  |

                    世界上最遙遠的距離

                    不是生與死的距離

                    不是天各一方

                    而是

                    我就站在你面前

                    你卻不知道我愛你

                    ——張小娴《荷包裏的單人床》

                    作爲一名現代人,你可以讀不懂莎士比亞的十四行詩,你也可以背不出《出師表》,但你一定不能不了解科學,也一定不能不了解正在發生的科學。科學能夠讓一個人學會批判性思維,也能夠讓一個國家強大起來。科學也可以很性感。科學家在研究中所獲得的愉悅感,令他們高潮叠起,情不自禁。最前沿的科學研究有很多,但絕對不能缺少暗物質和暗能量。

                    作家張小娴在她的小說《荷包裏的單人床》裏寫的是女主角蘇盈苦苦暗戀秦雲生的故事,雖然秦雲生最後接受了蘇盈,但他最愛的始終是他逝去的情人。傷心之下的蘇盈說出了“世界上最遙遠的距離”這段令人哀婉的話。把這句話用來描述人類對于暗物質和暗能量的認識和探測來講,最貼切不過。暗物質和暗能量無所不在,充斥在宇宙全空間中,我們卻感受不到它,對于暗物質和暗能量的探索,體現了人類對于宇宙更深層次的認識。

                     暗物质和暗能量 二者为何物? 

                    我們首先要明確的一點是:到目前爲止,物理學家和天文學家根據觀測事實和理論推測,構建出各種各樣的宇宙模型,其中最成功的是大爆炸宇宙模型,宇宙在加速膨脹也是公認的事實。其中,暗物質是基于現有引力理論的一種假想物質,暗能量是基于現有宇宙模型的一種假想的能量。

                    暗物質和暗能量的存在能夠解釋一系列令人困擾的天文觀測現象,在現有理論模型下能夠很好的解釋宇宙的演化和存在,可是還沒有實驗能夠直接探測到暗物質和暗能量並爲它們的存在以決定性的描述。但是,很多新的觀測現象都指向同一個事實:暗物質和暗能量是真實存在的。

                    認識暗物質和暗能量——從物質的組成(標准模型)說起 

                    要對暗物質和暗能量有一個清晰的認識,我們就必須知曉現代物理學對于物質組成的基本圖景的構建。物理學是一門研究物質世界構成和運行規律的科學,從古代中國的金、木、水、火、土陰陽五行學說,到古希臘的土、氣、水、火四元素說,再到近代原子分子學說,人類對于物質組成和運行規律的認識由表觀到本質,由簡單到複雜再到簡潔,這個過程漫長而曲折,從沒停止,也未有盡頭。

                    到目前爲止,標准模型是物理學對于物質世界最深刻和最客觀的認識,是描述物質基本組成和運行最成功的理論。標准模型認爲,物理真空並不是一無所有,真空中充滿場,場的激發態是粒子。粒子分爲組成子和媒介子,組成子即構成現有物質世界的“基本”粒子,媒介子是傳遞相互作用的粒子(之所以在“基本”二字加引號,是因爲隨著科學的不斷進步,舊的認識不斷被新的認識取代,“基本”二字基本上不靠譜,人們發現質子、中子、電子後認爲這三種粒子就是“基本”粒子,但後來發現質子和中子也有內部結構,所以現代粒子物理學很少用“基本粒子”這種絕對化的稱謂)。

                    组成子的自旋为1/2,是费米子,分为夸克和轻子。夸克有三代,分别为:(u,d),(c,s),(t,b)[英文名称为:(up quark, down quark),(charm quark, strange quark),(top quark or truth quark,bottom quark or beauty quark);中文名称为:(上夸克,下夸克),(粲夸克,奇异夸克),(顶夸克又叫真理夸克,底夸克又叫美丽夸克)];轻子也有三代,分别为,(),(),()[英文名称为:(electron, electron neutrino),(muon, muon neutrino),(tau,tau neutrino);中文名称为(电子,电子中微子),(缪子,缪子中微子),(陶子, 陶子中微子)]。媒介子的自旋为0,是玻色子,分为:中间玻色子,,传递弱相互作用;光子,传递电磁相互作用;胶子,传递强相互作用;希格斯粒子,使得物质拥有质量。传递引力相互作用的引力子至今还没有发现。

                    如表1所示,總計共有61種基本粒子。色(color)是一種內部自由度。值得注意的是,由于色禁閉和漸進自由,至今還沒能觀察到自由誇克,觀察到的只是由兩個誇克構成的介子、三個誇克構成的重子、四個誇克或者五個誇克構成的奇特態粒子。現代粒子物理學的各種理論模型是在標准模型的框架下,對粒子的各種性質進行更爲詳細和精確地描述。

                  標准模型下的基本粒子 

                     暗物質理論沿革:從“暗體”到“暗物質” 

                    一直以來,物理學對于物質本質的描述,朝著兩個極限不斷前進。一個是微觀極限,現在已經深入到原子核內部;另外一個是宏觀極限,現在已經擴展到整個宇宙。從微觀上講,標准模型能夠解釋到目前爲止發現的大部分粒子,標准模型也是基于地球上的物質、對撞機産生的粒子以及宇宙射線而産生的;但是當人類將探索的觸角伸向浩瀚無垠的宇宙的時候,發現了一些令人費解的現象。

                    早在19世纪末期20世纪初期,开尔文勋爵(即威廉·汤姆森,著名的“物理学天空的两朵乌云”的论断的提出者,也是热力学温标的发明人)在计算银河系的恒星质量时就提出,银河系中的很多星体,大多数或许都是“暗体”(dark bodies,不同于“黑体辐射”的black bodies,其实是dark matter暗物质的发端)。1906年,亨利·庞加莱(早期翻译作品多译作昂利·彭加勒,是法国著名的数学和物理学家,著名的“庞加莱猜想”提出者,把“三体问题”发展为混沌理论的开创者)在讨论开尔文勋爵的工作时,在“银河系和气体理论”一文中首次使用暗物质(dark matter)这一词汇。

                    二十世纪三十年代到七十年代间,Fritz Zwicky和Vera Rubbin等科学家在观测不同星系时发现引力质量比星系的光度质量大的多。自此,科学家指出宇宙间存在大量“看不见”的暗物质。我们通过中学物理学引力圆周运动的公式,也可以简单地得到这一结论。

                    從公式中我們可以看出,如果只有可見物質參與引力相互作用,那麽從星系中心到旋臂,隨著半徑的增大,旋轉的速度會越來越低,如圖3中的B曲線。根據天體物理的理論,這樣會導致星系的不穩定。而實際的觀測表明,穩定星系的旋臂的轉動速度隨著半徑增大,呈現出一個恒定速度,這樣才會使得星系保持穩定。而這個現象表明,星系的大部分質量並不是集中在星系中心,而是有許多看不見的“暗物質”分布在整個星系,可見物質只是星系質量的一小部分。

                    暗能量:宇宙加速膨脹的理論依據 

                    而暗能量的存在,是爲了解釋宇宙加速膨脹的事實。

                    1929年,美國天文學家哈勃系統觀測了銀河系周圍24個的星系,把觀測的光譜線與之前實驗室測量的光譜線做了對比,無一例外地都出現了紅移現象,說明所有的24個星系都在離我們遠去。哈勃因此而發現了哈勃定律,即離我們越遠的星系,離開我們的速度越快。

                    所有的星系都在遠離我們而去,而我們所處的位置在宇宙中不具有任何空間和時間上的特殊性,照此推斷,在太陽系測到的星系遠離,在別的星系上測量也是遠離的,也就是說所有的星系都在相互遠離,這就像是不斷膨脹的氣球,各個星系好比是氣球球面上的點,隨著氣球的膨脹,所有的點都在相互遠離,沒有兩點是相互靠近的。這說明,宇宙在膨脹,並不是具有固定體積的(這裏用體積不合適,因爲宇宙整個是時間和空間的統一,並不是簡單的我們所理解的三維體積,只是用來形象化而已)。

                    1998年,由Brian Schmidt领导的澳大利亚实验组和Saul Perlmutter领导的美国实验组几乎在同一时间从超新星爆发中观察到宇宙加速膨胀的证据。Brian Schmidt、Saul Perlmutter和Adam Riess由于发现“宇宙正在加速膨胀”而获得了2011年的诺贝尔物理学奖。如果宇宙中只有可见物质(或者说重子物质)和暗物质,由于引力相互作用宇宙膨胀会逐渐减速,并最终停止膨胀。

                    而宇宙的加速膨胀,表明在宇宙大尺度上,“万有引力”并不起主导作用,而是“万有斥力”在主导宇宙的加速膨胀。早在1980年,Alan Guth和Alexei Starobinsky提出一种“负压场”,这种模型认为重子物质和暗物质的压强为零,而这种场的压强为负,表现为斥力。正是由于这种负压场,才导致宇宙早期大爆炸之后的剧烈膨胀(注意这时还不知道宇宙是加速膨胀的,只是为了解释宇宙大爆炸之后的暴涨阶段)。

                    负压场很好的解释了宇宙暴涨。等到1998年发现宇宙加速膨胀这一事实后,负压场又可以解释宇宙加速膨胀这一事实,这种负压场最终被Michael Turner命名为暗能量(dark matter),参照的是暗物质的命名法。暗物质由于其负压强的特性,导致时空在宇宙学尺度上加速膨胀。

                    我們知道,物理學發展至今,雖然理論物理已經可以完全獨立發展,但理論的正確與否,最終要經過可靠實驗的檢驗,理論和實驗可以說是相輔相成的。在本篇中,我們介紹了暗物質和暗能量是如何提出的,雖只是來源于科學家們的頭腦風暴和數學計算,但是對于人類認識宇宙有著重要意義,至于理論最終會得到證實還是被推翻,還是要靠具體的實驗探測來說話。


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