【暗物质暗能量占多少】我们怎么知道宇宙中存在暗物质与暗能量?

2019-11-25 - 暗物质

监制:中国科学院计算机网络信息中心

世界上最遥远的距离

不是生与死的距离

不是天各一方

而是

我就站在你面前

你却不知道我爱你

——张小娴《荷包里的单人床》

作为一名现代人,你可以读不懂莎士比亚的十四行诗,你也可以背不出《出师表》,但你一定不能不了解科学,也一定不能不了解正在发生的科学。科学能够让一个人学会批判性思维,也能够让一个国家强大起来。科学也可以很性感。科学家在研究中所获得的愉悦感,令他们高潮迭起,情不自禁。最前沿的科学研究有很多,但绝对不能缺少暗物质和暗能量。

【暗物质暗能量占多少】我们怎么知道宇宙中存在暗物质与暗能量?
【暗物质暗能量占多少】我们怎么知道宇宙中存在暗物质与暗能量?

作家张小娴在她的小说《荷包里的单人床》里写的是女主角苏盈苦苦暗恋秦云生的故事,虽然秦云生最后接受了苏盈,但他最爱的始终是他逝去的情人。伤心之下的苏盈说出了"世界上最遥远的距离"这段令人哀婉的话。把这句话用来描述人类对于暗物质和暗能量的认识和探测来讲,最贴切不过。暗物质和暗能量无所不在,充斥在宇宙全空间中,我们却感受不到它,对于暗物质和暗能量的探索,体现了人类对于宇宙更深层次的认识。

【暗物质暗能量占多少】我们怎么知道宇宙中存在暗物质与暗能量?
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暗物质和暗能量 二者为何物?

我们首先要明确的一点是:到目前为止,物理学家和天文学家根据观测事实和理论推测,构建出各种各样的宇宙模型,其中最成功的是大爆炸宇宙模型,宇宙在加速膨胀也是公认的事实。其中,暗物质是基于现有引力理论的一种假想物质,暗能量是基于现有宇宙模型的一种假想的能量。

【暗物质暗能量占多少】我们怎么知道宇宙中存在暗物质与暗能量?
【暗物质暗能量占多少】我们怎么知道宇宙中存在暗物质与暗能量?

暗物质和暗能量的存在能够解释一系列令人困扰的天文观测现象,在现有理论模型下能够很好的解释宇宙的演化和存在,可是还没有实验能够直接探测到暗物质和暗能量并为它们的存在以决定性的描述。但是,很多新的观测现象都指向同一个事实:暗物质和暗能量是真实存在的。

认识暗物质和暗能量——从物质的组成(标准模型)说起

要对暗物质和暗能量有一个清晰的认识,我们就必须知晓现代物理学对于物质组成的基本图景的构建。物理学是一门研究物质世界构成和运行规律的科学,从古代中国的金、木、水、火、土阴阳五行学说,到古希腊的土、气、水、火四元素说,再到近代原子分子学说,人类对于物质组成和运行规律的认识由表观到本质,由简单到复杂再到简洁,这个过程漫长而曲折,从没停止,也未有尽头。

到目前为止,标准模型是物理学对于物质世界最深刻和最客观的认识,是描述物质基本组成和运行最成功的理论。标准模型认为,物理真空并不是一无所有,真空中充满场,场的激发态是粒子。粒子分为组成子和媒介子,组成子即构成现有物质世界的"基本"粒子,媒介子是传递相互作用的粒子(之所以在"基本"二字加引号,是因为随着科学的不断进步,旧的认识不断被新的认识取代,"基本"二字基本上不靠谱,人们发现质子、中子、电子后认为这三种粒子就是"基本"粒子,但后来发现质子和中子也有内部结构,所以现代粒子物理学很少用"基本粒子"这种绝对化的称谓)。

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,总计共有61种基本粒子。色(color)是一种内部自由度。值得注意的是,由于色禁闭和渐进自由,至今还没能观察到自由夸克,观察到的只是由两个夸克构成的介子、三个夸克构成的重子、四个夸克或者五个夸克构成的奇特态粒子。现代粒子物理学的各种理论模型是在标准模型的框架下,对粒子的各种性质进行更为详细和精确地描述。

图1 标准模型下的基本粒子(图片来源于网络)

表 1 标准模型下的基本粒子

暗物质理论沿革:从"暗体"到"暗物质"

一直以来,物理学对于物质本质的描述,朝着两个极限不断前进。一个是微观极限,现在已经深入到原子核内部;另外一个是宏观极限,现在已经扩展到整个宇宙。从微观上讲,标准模型能够解释到目前为止发现的大部分粒子,标准模型也是基于地球上的物质、对撞机产生的粒子以及宇宙射线而产生的;但是当人类将探索的触角伸向浩瀚无垠的宇宙的时候,发现了一些令人费解的现象。

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。

从公式中我们可以看出,如果只有可见物质参与引力相互作用,那么从星系中心到旋臂,随着半径的增大,旋转的速度会越来越低,如图3中的B曲线。根据天体物理的理论,这样会导致星系的不稳定。而实际的观测表明,稳定星系的旋臂的转动速度随着半径增大,呈现出一个恒定速度,这样才会使得星系保持稳定。

而这个现象表明,星系的大部分质量并不是集中在星系中心,而是有许多看不见的"暗物质"分布在整个星系,可见物质只是星系质量的一小部分。

图2 典型的螺旋星系(图片来源于网络)

图3 螺旋星系的转动曲线(图片来源于网络)

暗能量:宇宙加速膨胀的理论依据

而暗能量的存在,是为了解释宇宙加速膨胀的事实。

1929年,美国天文学家哈勃系统观测了银河系周围24个的星系,把观测的光谱线与之前实验室测量的光谱线做了对比,无一例外地都出现了红移现象,说明所有的24个星系都在离我们远去。哈勃因此而发现了哈勃定律,即离我们越远的星系,离开我们的速度越快。

所有的星系都在远离我们而去,而我们所处的位置在宇宙中不具有任何空间和时间上的特殊性,照此推断,在太阳系测到的星系远离,在别的星系上测量也是远离的,也就是说所有的星系都在相互远离,这就像是不断膨胀的气球,各个星系好比是气球球面上的点,随着气球的膨胀,所有的点都在相互远离,没有两点是相互靠近的。

这说明,宇宙在膨胀,并不是具有固定体积的(这里用体积不合适,因为宇宙整个是时间和空间的统一,并不是简单的我们所理解的三维体积,只是用来形象化而已)。

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。

我们知道,物理学发展至今,虽然理论物理已经可以完全独立发展,但理论的正确与否,最终要经过可靠实验的检验,理论和实验可以说是相辅相成的。在本篇中,我们介绍了暗物质和暗能量是如何提出的,虽只是来源于科学家们的头脑风暴和数学计算,但是对于人类认识宇宙有着重要意义,至于理论最终会得到证实还是被推翻,还是要靠具体的实验探测来说话。

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