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科学家如何证明暗物质存在

时间:2017-04-16 14:09:41 浏览量:
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怎么解释“我们所看到的宇宙必须有暗物质和暗能量”?暗物质和暗能量是观测误差吗?目前已观测到的宇宙现象,必须要通过暗物质和暗能量才能解释吗?这个观点是否已经被科学家广泛接受?在讨论暗物质以前,我写过几篇这方面的文章,几乎总能收到某种反馈,指责物理学家懒惰、顽固,甚至在学术上不诚实。对某些人来说,暗物质似乎像物理学家的胡言乱语,用来掩饰他们对宇宙一无所知的事实。

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我们回顾一下,在20世纪20年代,天文学家弗里茨·兹威基发现星系成团成簇地高速转动,除非有大量非恒星及非气体形式的物质存在,否则这些团簇用不了多长时间就会四散而去。20世纪70年代,维拉·鲁本在单个星系中发现了同样的情况。据粗略估计,宇宙中95%的物质都是不为我们所知的东西。将宇宙万物细分开来,普通物质占5%,暗物质占25%,其余70%是暗能量。

现在我还不想从暗能量开始讲,因为尽管暗能量对宇宙膨胀有加速作用,但如果你不理解暗物质,就很难弄明白暗能量。不是我们不大了解暗物质的起源,只是那个“自然”值(基于真空能量所做的合理假设得出)是我们实际观察到的密度的10倍至100倍。在我看来,这绝对是物理学界最大的问题。对暗物质高度肯定的所有知识都已在名称上表现出来。它不带任何电荷(光与带电粒子有强烈的相互作用,所以很容易看到),不是由原子构成的,因为原子也比较容易看到。有些人对暗物质如此不屑,是因为他们只看到那些老掉牙到暗物质粒子;②我们实际上不清楚暗物质是什么。

可是,我们有许多理由相信暗物质的存在,因为星系一旦离开暗物质将会分崩离析。下面是三个很好的理由。

引力透镜

光线穿过大质量物体时会发生弯曲,因此我们可以利用背景星系的扭曲图像绘制宇宙质量图。我们对数个超大质量的星系团进行了透镜重建并且发现了许多额外质量,但是只有一个系统备受媒体关注。着名的子弹星系团是两个星系团碰撞的产物,图像顶部是碰撞的区域(下图中红色部分)。图片上的蓝色表示引力透镜中显示的质量所在的位置。无论这些质量由什么组成,都不可能是气体或恒星。这是迄今最接近“看到”的暗物质的图像。

在暗物质研究中,透镜重建具有双重功能,我们还可以利用它在银河系里寻找暗星(或许还有黑洞)。只要有一个暗星或黑洞在更遥远的恒星面前经过,这颗恒星便会被放大。这种想法听上去很酷,但是我们现在可以肯定地说,银河系(可能还有其他星系)里存在的黑洞不够多,不能解决暗物质的问题。

大爆炸

即使你相信宇宙中存在未被观测到的质量,也不意味着暗物质有什么特别奇异之处,它可能就是普通物质,只是不知何故我们看不见而已。我们很清楚宇宙大爆炸过程中氢元素是如何产生的。事实上,化学非常简单,真正能够套入的数字只有宇宙中原子质量的密度。例如,如果宇宙中的所有物质都很普通,那么我们看到的氘只有实际的1/1000。

历史先例

事实上我们还从来没有看见过暗物质粒子,如果因此而止步那就不应该了。1920年,卢瑟福预言了中子(也是一种中性粒子,因此很难检测到)的存在,过了12年中子才被发现。狄拉克预言反物质的存在,比第一次检测到早了27年。1930年,泡利预言了中微子的存在,26年后中微子才被发现。我们有很好的追踪记录,所以能够在看到某些物质之前推测到它们的存在;我们有好的理论,所以如果大型强子对撞机或其他实验设备探测到“最轻超对称粒子”,那也是意料中的事;如果最终证明是其他什么,我们同样不会感到惊讶。

这还不是全部。如果在我们的宇宙图像中加入暗物质,就能非常完美地解释一切,包括宇宙微波背景中分布的热暗斑块以及宇宙的年龄、星系的演变和结构。如果没有暗物质,这一切都解释不通。

不过仍然有人可能会问,修正了的牛顿动力学能解释暗物质的必要性吗?从根本上说,这是在问如果爱因斯坦错了怎么办。当然,爱因斯坦可能会错。如果是这样的话,我们的一两个论点会有点麻烦,但不影响其他。但是牛顿动力学有一个非常大的障碍要克服:它必须能够解释相对论。无论到哪天,我都把宝押在暗物质和广义相对论上。

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编辑:时雨
关键词: 暗物质
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