暗物質(zhì)與暗能量的探索解讀

1、摘要：對于暗物質(zhì)與暗能量的本質(zhì)或者其作用，一直以來對于人類來說都是一 個很大的謎團。從上個世紀(jì)開始，就有一大批的科學(xué)家對其進行研究、探索。無論 是愛因斯坦提出廣義相對論時的宇宙常數(shù)，還是現(xiàn)今為了探索而組建的一個個觀察 小組應(yīng)用現(xiàn)代的高新技術(shù)，無一不表明了人類對宇宙具有強烈的好奇與求知欲。 為了探索所進行的一次次實驗，所取得的一次次成果，便是我接下來要討論的 問題。 Abstract: The n ature of dark matter and dark en ergy or its effect, both for huma ns has been a great mystery. From

2、 the last century, there is a large number of scientists to study it, explore. Both general relativity Einsteins cosmological constant time, or now to explore the formation of an observer group application of modern high-tech, without excepti on, that the uni verse has a strong huma n curiosity and

3、thirst for kno wledge. In order to explore a sec ond experime nt con ducted, the results aga in and aga in made that I am going to discuss the issue. 引言 人類擁有數(shù)千年的文化史，而我們僅對宇宙中平日常見的 4%的普通物質(zhì)有深 刻的認(rèn)識、了解。而宇宙中更多的是我們看不到、摸不著的暗物質(zhì)與暗能量，等待 著人類的發(fā)現(xiàn)。 21 世紀(jì)初科學(xué)的最大的迷是什么？是暗物質(zhì)與暗能量。他們的存在，向全世 界的科學(xué)家提出了挑戰(zhàn)。激勵著一屆又一屆的科學(xué)家前仆后繼，奮勇

4、直前的向著目 標(biāo)前進。 那么，從古至今有多少個科學(xué)家投入這個工作呢？又有什么最新的發(fā)現(xiàn)呢？暗 物質(zhì)與暗能量被作為兩種東西之間又有什么聯(lián)系呢？對于人類又有什么影響呢？這 便是我要討論的話題。 接下來，就請和我一起來追溯它的起源，探索它的奧秘 正文: 一、關(guān)于暗物質(zhì) 暗物質(zhì)（包括暗能量被認(rèn)為是宇宙研究中最具挑戰(zhàn)性的謎題，它代表了宇宙中 90%以上的物質(zhì)含量，而我們可見的世界只占宇宙物質(zhì)的 10%不到。暗物質(zhì)無法 直接觀測，卻能 干擾星體發(fā)出的光波或引力等，其存在能被明顯感受到?？茖W(xué)家曾對暗物質(zhì)的 特性提出了多種假設(shè)，但還沒有得到足夠的驗證。 美國約翰斯 霍普金斯大學(xué)下屬的太空望遠(yuǎn)鏡研究所，借助 3

5、 年前安裝在 哈 勃”太空望遠(yuǎn)鏡上的 先進測繪照相機”觀察到更遠(yuǎn)處星系發(fā)出的光在兩個星系簇 中的暗物質(zhì)干擾下產(chǎn)生的引力透鏡現(xiàn)象，進而通過計算機模擬，得到了暗物質(zhì)的分 布圖。這兩個正在誕生中的星系簇位于南部天穹中，距地球約 70 億光年，各擁有 約 400 個星系。 研究人員將這一成果發(fā)表在 10 日出版的天體物理雜志上。論文第一作 者、韓裔助理研究員池溟國博士說，他們得到的圖像清楚地顯示出，我們可見的物 質(zhì)（即觀測到的兩個星系簇 是在暗物質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)包圍中，處于暗物質(zhì)最密集的地方， 就好比海浪頂端的泡沫。他們認(rèn)為，這支持了暗物質(zhì)和可見物質(zhì)會在引力作用下聚 集到一起的猜想，即暗物質(zhì)集中的地方會吸引可

6、見物質(zhì)，從而幫助恒星、星系和星 系簇的形成。分布圖還顯示暗物質(zhì)是聚成一簇簇地密集存在。研究人員據(jù)此認(rèn)為， 這驗證了暗物質(zhì)粒子是 非碰撞粒子”的假設(shè)，即暗物質(zhì)粒子如果碰到一起， 不會像 分子、 原子等經(jīng)典粒子那樣發(fā)生反彈， 而會 若無其事”地繼續(xù)原先的運動。他們解 釋說，如果暗物質(zhì)粒子彼此發(fā)生碰撞，那么它們在頻繁碰撞后就會分布比較均衡， 而不是密集成簇。 簡單一點說，暗物質(zhì)無法直接利用光學(xué)手段被觀測到，但由于其強大的引力 （因為其質(zhì)量很大）會對周圍的天體產(chǎn)生影響，表現(xiàn)在行星的運轉(zhuǎn)軌道的變化等。ABC 澳洲科技網(wǎng) 2006 年 8 月 22 日有一篇報道，天文學(xué)家們宣布首次發(fā)現(xiàn)有 關(guān)暗物質(zhì)存在的直

7、接證據(jù)，但科學(xué)家們對于暗物質(zhì)這一令人難以琢磨的物質(zhì)有的也 只是一個模糊的概念，對于其具體構(gòu)成還不是十分明了。此次的觀測結(jié)果來自于對 已知宇宙中最劇烈的一次碰撞后的氣體以及其中的恒星的測量，兩個星系團在被稱 為子彈氣團的物質(zhì)中發(fā)生劇烈碰撞（兩個星系團相向高速運動，由于構(gòu)成星系團物 質(zhì)主體的熾熱氣體相互排斥，于是形成了子彈狀氣團），使得來自各自星系團的恒 星以及暗物質(zhì)互相撕裂，使得更廣大區(qū)域內(nèi)分布著的星際氣體也發(fā)生碰撞并減速。 天體物理學(xué)家們知道，可見的恒星始終同暗物質(zhì)在一起，因為天體物理學(xué)家們 通過測量光線在這一區(qū)域的彎曲情況來對恒星所處的區(qū)域的質(zhì)量進行了分析。根據(jù) 愛因斯坦廣義相對論原理，光線

8、在引力場中會發(fā)生彎曲，光線彎曲的越厲害，說明 這一區(qū)域中的暗物質(zhì)產(chǎn)生的 引力場越強，從而也說明了其中的暗物質(zhì)越多。在這種情況下，碰撞的星系團 中的恒星區(qū)域其所擁有的質(zhì)量要比可見恒星或星際氣體的質(zhì)量大的多，這其中的唯 一解釋就是暗物質(zhì)的存在了。 二、關(guān)于暗能量 暗能量是一種不可見的、能推動宇宙運動的能量，宇宙中所有的恒星和行星的 運動皆是由暗能量來推動的。 之所以暗能量具有如此大的力量， 是因為它在宇宙的 結(jié)構(gòu)中約占73%，占絕對統(tǒng)治地位。 愛因斯坦的廣義相對論預(yù)測，宇宙中能量的密度與膨脹速度直接相關(guān)。隨著宇 宙膨脹，這種能量的密度隨之降低，宇宙膨脹應(yīng)慢下來。但科學(xué)家在 1990 年代晚 期發(fā)現(xiàn)

9、，各星系不僅在互相后退，而且以加速度后退。人們用暗能量來解釋這種反 重力現(xiàn)象。無人知道這種力是來自宇宙內(nèi)部還是外界的影響。 有人提出一種新的理論：將暗能量與亞原子粒子中微子聯(lián)系起來。中微子很少 與其他物質(zhì)發(fā)生作用，但最近發(fā)現(xiàn)它有少量的質(zhì)量。它們是在太陽和其他恒星中產(chǎn) 生的，也曾是大爆炸的產(chǎn)物。它們不斷地穿過物體，甚至地球。常規(guī)理論認(rèn)為，中 微子質(zhì)量不會隨時間發(fā)生變化，而新理論認(rèn)為，在一定空間情況下，中微子質(zhì)量會 增加。在早期宇宙中，中微子很密集，現(xiàn)在分得很開，因而質(zhì)量也增加了。隨著它 們的分開，其間的張力也在積聚。不斷增加的張力就是著名的暗能量。新理論的提 出者將這種張力取名為 加速子”就象帶

10、電粒子產(chǎn)生磁場一樣，加速子產(chǎn)生加速子 場。大爆炸遺留下的中微子在宇宙中均勻地產(chǎn)生加速子場，這個場中的能量是宇宙 膨脹的源泉。 三、暗物質(zhì)與暗能量的聯(lián)系 1970 年代，物理學(xué)家為解釋星系的運動提出，一類看不見的粒子存在于星系 周圍，這類粒子隨后被稱為 暗物質(zhì)”根據(jù)天文觀察資料，科學(xué)家們估計宇宙中暗 物質(zhì)有常規(guī)物質(zhì)的10 倍之多。迄今科學(xué)家們已做了大量實驗來搜尋這類粒子存在 的證據(jù)。 1998 年以來，為解釋宇宙加速膨脹運動，一些科學(xué)家又提出 暗能量”概念, 認(rèn)為暗能量作為一種巨大的斥力在推動宇宙加速膨脹。 科學(xué)家們之所以提出 暗物質(zhì)”和 暗能量”兩個不同概念，原因是它們的表現(xiàn)不 同。暗物質(zhì)好像

11、有質(zhì)量并會形成巨大的團塊，宇宙學(xué)家事實上計算出這些暗物質(zhì)團 塊的引力作用在使常規(guī)物質(zhì)形成星系的過程中起了關(guān)鍵作用。而暗能量相反地似乎 是沒有質(zhì)量的，并均勻分布在整個宇宙空間，其作用與引力相反，是一種斥力，把 宇宙推散開來。 對于暗物質(zhì)和暗能量，國范德比爾特大學(xué)的理論物理學(xué)家羅伯特 謝勒的模型 是把這兩個謎縮減為一個，即認(rèn)為暗物質(zhì)和暗能量只是單一一種未知力量的兩個方 面。 謝勒在其理論模型中，把暗物質(zhì)和暗能量統(tǒng)歸為一種稱為 標(biāo)量場”的奇特能量 形式。這種能量場有著嚴(yán)格的定義，而且性質(zhì)復(fù)雜。在此， 場”是指一種具有能量 和壓力、遍及整個空間物理量。宇宙學(xué)家最先是用標(biāo)量場來解釋宇宙大爆炸之后的暴漲過

12、程。根據(jù)暴漲理論，宇宙在大爆炸后即經(jīng)歷了一個持續(xù)時間不到一秒但暴漲 了幾萬萬億倍的急劇膨脹過程。 謝勒在其模型中引入了一個第二代標(biāo)量場，稱為 “K本質(zhì)” “K本質(zhì)”這一概念 是由普林斯頓大學(xué)的理論物理學(xué)家保羅斯泰恩哈德等人為解釋暗能量而提出來 的，但謝勒是第一個指出一種簡單的 “K本質(zhì)”標(biāo)量場也可以用來解釋暗物質(zhì)的人。 對于暗物質(zhì)和暗能量的關(guān)系，最近科學(xué)家對它有這樣的描述： 不知道是什 么，對這種物質(zhì)的相對數(shù)量，進行了細(xì)微的調(diào)整，使二者在量上非常近似，加起來 剛好適合。這不是巧合，二者之間一定有某種聯(lián)系。 ”如果真是這樣的話，宇宙將 保持它的有序狀態(tài)，繼續(xù)平穩(wěn)地運行下去！ 四、與人類的關(guān)系 著

13、名物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者李政道在清華大學(xué)參加紀(jì)念中國博士后 流動站成立二十周年的慶?；顒訒r，曾向與會的千余名博士后闡述他對暗物質(zhì)和暗 能量的看法?！?2 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?！?對于暗物質(zhì)和暗能量，李政道提出了 天外有天”的觀點，因為暗能量，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” 對于人類來說，這些是我們尚未探明的東西，但是它們卻真切的存在與宇宙中 并起著巨大的作用 正是宇宙中有物質(zhì)、暗