關(guān)于暗物質(zhì)與暗能量

【專家解說】：21世紀(jì)初科學(xué)最大的謎是暗物質(zhì)和暗能量。它們的存在，向全世界年輕的科學(xué)家提出了挑戰(zhàn)。 暗物質(zhì)存在于人類已知的物質(zhì)之外，人們目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的構(gòu)成也和人類已知的物質(zhì)不同。在宇宙中，暗物質(zhì)的能量是人類已知物質(zhì)的能量的5倍以上。 暗能量更是奇怪，以人類已知的核反應(yīng)為例，反應(yīng)前后的物質(zhì)有少量的質(zhì)量差，這個(gè)差異轉(zhuǎn)化成了巨大的能量。暗能量卻可以使物質(zhì)的質(zhì)量全部消失，完全轉(zhuǎn)化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質(zhì)能量的14倍以上。 宇宙之外可能有很多宇宙 圍繞暗物質(zhì)和暗能量，李政道闡述了他最近發(fā)表文章探討的觀點(diǎn)。他提出“天外有天”，指出“因?yàn)榘的芰?，我們的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我們的宇宙在加速地膨脹”且“核能也許可以和宇宙中的暗能量相變相連”。 暗物質(zhì)是誰最先發(fā)現(xiàn)的呢? 1915年，愛因斯坦根據(jù)他的相對(duì)論得出推論:宇宙的形狀取決于宇宙質(zhì)量的多少。他認(rèn)為，宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質(zhì)的平均密度必須達(dá)到每立方厘米5×10的負(fù)30次方克。但是，迄今可觀測(cè)到的宇宙的密度，卻比這個(gè)值小100倍。也就是說，宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)“失蹤”了，科學(xué)家將這種“失蹤”的物質(zhì)叫“暗物質(zhì)”。 一些星體演化到一定階段，溫度降得很低，已經(jīng)不能再輸出任何可以觀測(cè)的電磁信號(hào)，不可能被直接觀測(cè)到，這樣的星體就會(huì)表現(xiàn)為暗物質(zhì)。這類暗物質(zhì)可以稱為重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。 還有另一類暗物質(zhì)，它的構(gòu)成成分是一些帶中性的有靜止質(zhì)量的穩(wěn)定粒子。這類粒子組成的星體或星際物質(zhì)，不會(huì)放出或吸收電磁信號(hào)。這類暗物質(zhì)可以稱為非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。 在重力透鏡效應(yīng)下觀測(cè)到的暗物質(zhì) Abell 2390星系團(tuán)(上半圖)和MS2137.3-2353星系團(tuán)(下半圖)，距離我們約有20億光年遠(yuǎn)。上圖右半方的影像，是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所拍攝的假色照片，而相對(duì)應(yīng)的左半方影像，是由錢卓拉X射線觀測(cè)站所拍攝的X射線影像。雖然哈勃望遠(yuǎn)鏡的影像中，可以看到數(shù)量眾多的星系，但在X射線影像里，這些星系的蹤影卻無處可尋，只見到一團(tuán)溫度有數(shù)百萬度，而且會(huì)輻射出X射線的熾熱星系團(tuán)云氣。除了表面上的差異外，這些觀測(cè)其實(shí)還含有更重大的謎團(tuán)呢。因?yàn)橛曳接跋裰行窍档目傎|(zhì)量加上左方云氣的質(zhì)量，它們所產(chǎn)生的重力，并不足以讓這團(tuán)熾熱云氣乖乖地留在星系團(tuán)之內(nèi)。事實(shí)上再怎么細(xì)算，這些質(zhì)量只有“必要質(zhì)量”的百分之十三而已!在右方哈伯望遠(yuǎn)鏡的深場(chǎng)影像里，重力透鏡效應(yīng)影像也指出造成這些幻像所需要的質(zhì)量，大于哈勃望遠(yuǎn)鏡和錢卓拉觀測(cè)站所直接看到的。天文學(xué)家認(rèn)為，星系團(tuán)內(nèi)大部分的物質(zhì)，是連這些靈敏的太空望遠(yuǎn)鏡也看不到的“ 暗物質(zhì)”。 1930年初，瑞士天文學(xué)家茲威基發(fā)表了一個(gè)驚人結(jié)果:在星系團(tuán)中，看得見的星系只占總質(zhì)量的1/300以下，而99%以上的質(zhì)量是看不見的。不過，茲威基的結(jié)果許多人并不相信。直到1978年才出現(xiàn)第一個(gè)令人信服的證據(jù)，這就是測(cè)量物體圍繞星系轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。我們知道，根據(jù)人造衛(wèi)星運(yùn)行的速度和高度，就可以測(cè)出地球的總質(zhì)量。根據(jù)地球繞太陽運(yùn)行的速度和地球與太陽的距離，就可以測(cè)出太陽的總質(zhì)量。同理，根據(jù)物體(星體或氣團(tuán))圍繞星系運(yùn)行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系范圍內(nèi)的總質(zhì)量。這樣計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，星系的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于星系中可見星體的質(zhì)量總和。結(jié)論似乎只能是:星系里必有看不見的暗物質(zhì)。那么，暗物質(zhì)有多少呢?根據(jù)推算，暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總量的20-30%才合適。 天文學(xué)的觀測(cè)表明，宇宙中有大量的暗物質(zhì)，特別是存在大量的非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。據(jù)天文學(xué)觀測(cè)估計(jì)，宇宙的總質(zhì)量中，重子物質(zhì)約占2%，也就是說，宇宙中可觀測(cè)到的各種星際物質(zhì)、星體、恒星、星團(tuán)、星云、類星體、星系等的總和只占宇宙總質(zhì)量的2%，98%的物質(zhì)還沒有被直接觀測(cè)到。在宇宙中非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)當(dāng)中，冷暗物質(zhì)約占70%，熱暗物質(zhì)約占30%。 標(biāo)準(zhǔn)模型給出的62種粒子中，能夠穩(wěn)定地獨(dú)立存在的粒子只有12種，它們是電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子、光子、3種中微子、3種反中微子和引力子。這12種穩(wěn)定粒子中，電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子是帶電的，不能是暗物質(zhì)粒子，光子和引力子的靜止質(zhì)量是零，也不能是暗物質(zhì)粒子。因此，在標(biāo)準(zhǔn)模型給出的62種粒子中，有可能是暗物質(zhì)粒子的只有3種中微子和3種反中微子。 20世紀(jì)80年代初期，美國(guó)天文學(xué)家艾倫森發(fā)現(xiàn)，距我們30萬光年的天龍座矮星系中，許多碳星(巨大的紅星)周圍存在著穩(wěn)定的暗物質(zhì)，即這些暗物質(zhì)受到嚴(yán)格的束縛。高能熱粒子和能量適中的暖粒子是難以束縛住的，它們會(huì)到處亂竄，只有運(yùn)行很慢的“冷粒子”才能束縛住。物理學(xué)家認(rèn)為那是“軸子”，它是一種非常穩(wěn)定的冷“微子，質(zhì)量只有電子質(zhì)量的數(shù)百萬分之一。這就是暗物質(zhì)的軸子模型。 軸子模型是否成立，最終得由實(shí)驗(yàn)裁決。最近，還有人提出，暗物質(zhì)可能是一種稱做“宇宙弦”的弦狀物質(zhì)，它產(chǎn)生于大爆炸后的一秒期間內(nèi)，直徑為1萬億億億分之一厘米，質(zhì)量密度大得驚人，每寸長(zhǎng)約1億億噸。這種理論是否成立，同樣有待科學(xué)家進(jìn)一步研究。 為探索暗物質(zhì)的秘密，世界各國(guó)的粒子物理學(xué)家正在這個(gè)領(lǐng)域努力工作，相信揭開暗物質(zhì)神秘面紗的那一天不會(huì)太遙遠(yuǎn)了。