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暗物质(物理名词)

暗物质在宇宙学中又称为暗质,是指无法通过电磁波的观测进行研究,也就是不与电磁力产生作用的物质。人们目前只能通过重力产生的效应得知,而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性,对结构形成也非常地关键。宇宙学中又称为暗质,是指无法通过电磁波的观测进行研究,也就是不与电磁力产生作用的物质。人们目前(截至2011年)只能通过重力产生的效应得知,而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性,对结构形成也非常地关键。暗物质很有可能是一种(或几种)粒子物理标准模型以外的新粒子所构成。对暗物质和暗能量的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。星系中都存在额外的看不见的引力源。其次,宇宙学家把宇宙的膨胀速度的大小,跟所有观测到的星系、尘埃、辐射等等物质的总质量放进广义相对论方程里比较,结果发现宇宙的总质量应该远远大于已知物质的总质量。第三,物理学家曾经在计算机中模拟一团原始物质在引力和宇宙膨胀的共同作用下,逐渐聚集成星系的过程。如果假设宇宙中不存在额外的物质,那么模拟结果就和实际的观测对不上。如果假设存在一种大质量的粒子,只参与弱相互作用和引力,不参与其它相互作用的话,并且占宇宙的总质量的比例大概在20%多时,模拟结果就比较理想了。

种种未知现象都迫使天文学家和物理学家提出,宇宙中存在一种”暗物质“。主流观点认为,暗物质是一种大质量、弱相互作用粒子,简称为WIMP。这种粒子不是某类具体的粒子,而是一个总称。满足这个要求的候选粒子不止一种。

暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题,它代表了宇宙中90%以上的物质含量,而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到(约5%左右)。暗物质无法直接观测得到,但它却能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设,但直到目前还没有得到充分的证明。

几十年前,暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物,但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜,但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话,那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过,最近对星系以及亚星系结构的分析显示,这一假设和观测结果之间存在着差异,这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型,为暗物质本性的研究带来新的曙光。弗里兹扎维奇发现,大型星系团中的星系

恒星数量计算所得到的值的100倍以上,否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知,但是到了80年代,占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。

在引入宇宙膨胀理论之后,许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的,而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的(这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的)。与此同时,宇宙学家们也倾向于

一个简单的宇宙,其中能量密度都以物质的形式出现,包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上,观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差,但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值,而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。

意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时,暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲,它们的组成是完全不同的。更重要的是,像普通的物质一样,暗物质是引力自吸引的,而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的,并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以,在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此,暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后,两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现,宇宙正在加速膨胀。由此,暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotrope Probe,WMAP)的观测也独立的证实了暗能量的存在,并且使它成为了标准模型的一部分。

广义相对论,在一个仅含有物质的宇宙中,物质密度决定了宇宙的几何,以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话,情况就完全不同了。首先,总能量密度(物质能量密度与暗能量密度之和)决定着宇宙的几何特性。其次,宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位,但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定,它目前正时宇宙加速膨胀,而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态,否则这种加速膨胀态势将持续下去。

不过,我们忽略了极为重要的一点,那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成,如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星,也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性,但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力,因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落,而这些涨落会在宇宙微波背景辐射(CMB)中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹,因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。

另一方面,不与辐射耦合的暗物质,其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后,已经成团的暗物质就开始吸引普通物质,进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落,但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质,由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。

在开始阐述这一模型的有效性之前,必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动(涨落),为了预言其在不同波长上的引力效应,小扰动谱必须具有特殊的形态。为此,最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说,如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和,那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱(其谱指数n=1)。WMAP的观测结果证实了这一预言,其观测到的结果为n=0.99±0.04。

但是如果我们不了解暗物质的性质,就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的,暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者,由其导致的结构形成,以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。

低温暗物质搜寻项目(CDMS),旨在使用探测器探测粒子间的互动,找到暗物质粒子引起的运动。美国科学家在位于加利福尼亚大学校园的隧道里的实验室2009年检测到了两种可能来自于暗物质粒子的信号。但他们同时表示,这些信号与暗物质粒子的相似度不高。他们在明尼苏达州的Souden煤矿地下约714米处安装更高级的实验室设备,以进行二期低温暗物质搜寻项目(CDMSⅡ)。暗物质现象会被进入地球的宇宙射线干扰,要减少宇宙射线μ介子粒子的背景信号影响,唯一的办法是一道地底深处,这样才有把握确认暗物质的构成。

2009年12月21日,科学家在Souden煤矿中发现暗物质,这是迄今为止最有力的发现暗物质证据。

其他实验也在探寻来自暗物质的信号,比如地下氙(Lux)实验。美国费米太空望远镜则试图定位暗物质,寻找其在空间湮没(暗物质发生碰撞时,两个粒子将生成可以被探测器接收到的γ射线)的证据,但目前没有任何发现。科学家绘制出的宇宙暗物质三维数字分布图在宇宙学中,暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明:我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4%,暗物质占了宇宙的23%,还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。2011年5月,意大利暗物质探测无果,该研究结果质疑其他发现暗物质结果。

据国外媒体报道,宇宙学家表示,他们已经在银河核心深处发现与暗物质粒子有关的最令人信服的证据。该地的这种神秘物质相撞在一起产生伽马射线的次数,比天空中的其他临近区域更频繁。

  最近几年,科学杂志上不断出现类似研究,不过要证实信息来源一直非常困难。然而费米实验室和芝加哥大学的宇宙学家、最新研究的第一论文作者丹霍普表示,10月13日出现在网站上的这项最新研究与此不同。他说:“除了暗物质以外,我们考虑每一个天文学来源,然而我们了解的知识无法解释这些观测资料。也没有与之密切相关的解释。”这一断言还没得到其他科学家的严格审查,不过看过这篇论文的人表示,他们还需要对该成果进行更多讨论。

  费米实验室的天体物理学家克雷格霍甘并没参与这项研究,他说:“这是我所知道的第一项通过一个简单粒子模型,把少量与暗物质的证据有关的线索拼接在一起的研究。虽然它还没有充足证据,但它令人兴奋,值得我们去追根究底。”暗物质从137亿年前开始在庞大的能量膨胀宇宙大爆炸过程中形成。能量冷却后形成普通物质、暗物质和暗能量,目前它们在宇宙中的比例分别是4%、23%和73%。

  跟普通物质一样,暗物质具有引力,几十亿颗恒星正是在它们的帮助下聚集到星系里。但是这种物质很难与普通物质发生互动,人们看不到它。微中子是唯一一种曾在实验室里发现的暗物质粒子,但是它们几乎是零质量,而且在暗物质的宇宙能量部分里仅占很小比例。天体物理学家认为,剩下的很大一部分是由弱相互作用大质量粒子(WIMP)构成,这种粒子的能量大约比质子多10到1000倍。如果两个暗物质粒子撞在一起,它们就会彼此摧毁对方,产生伽马射线。

  霍普和他的科研组通过对费米伽马射线太空望远镜在两年多时间里传回地球的数据进行分析,发现这种高能死亡信号。费米太空望远镜美国宇航局的伽马射线望远镜,主要用来扫描银河的高能活跃区。他们发现,发出信号的相撞在一起的暗物质粒子,比质子大约重8到9倍。霍普说:“它比我们大部分人猜测的结果可能更轻一些。迄今为止我们很擅长这方面。不过人们猜测的暗物质粒子的重量范围不会一成不变。

  该科研组在银河核心处一个直径100光年的区域收集到的数据里发现这些信号。霍普解释说,他们之所以会关注这个区域,是因为它是暗物质最喜欢的聚集地,银河这个区域的暗物质密度,是银河边缘的10万倍。简而言之,银河核心就是一个暗物质大量聚集在一起,经常相撞的地方。

  然而,其他科学家希望看到卡尔萨根的名言“不同凡响的发现需要不同凡响的证据”能变成现实。也就是说,他们希望看到从自然界和实验室两方面获得的证据。芝加哥大学的宇宙学家迈克尔特纳没参与这项研究,他说:“没人提供像萨根提到的那种证据。接受这一观点最困难的部分是,你必须拒绝接受天体物理学解释。大自然非常非常聪明,这可能是我们至今从没思考过的事情。

  特纳表示,好消息是几项有希望的暗物质探测试验目前正在进行。相干锗中微子技术(CoGeNT)等深埋地下的探测器可助霍普一臂之力。该探测器近几年可能已经发现弱相互作用大质量粒子的迹象。特纳说:“这十年是暗物质的十年。这个问题即将解决。现在所有这些探测器都在观测正确方位。”霍普同意两人的观点,不过他表示,与他交谈过的天体物理学家,没人能解释清楚这一现象。他认为,在他的发现得到支持或痛批前,也许只要数周时间就能在实验室里验证暗物质是否存在。他说:“我从没像现在一样为自己是一名宇宙学家而感到激动不已。”

2007年1月,暗物质分布图终于诞生了!经过4年的努力,70位研究人员绘制出这幅三维的“蓝图”,勾勒出相当于从地球上看,8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓。他们使出了什么好手段化隐形为有形的呢?那可全亏了一项了不起的技术:引力透镜。

  更妙的是这张分布图带给我们的信息。首先我们看到,暗物质并不是无所不在,它们只在某些地方聚集成团状,而对另一些地方却不屑一顾。其次,将星系的图片与之重叠,我们看到星系与暗物质的位置基本吻合。有暗物质的地方,就有恒星和星系,没有暗物质的地方,就什么都没有。暗物质似乎相当于一个隐形的、但必不可少的背景,星系(包括银河系)在其中移动。分布图还为我们提供了一次真正的时光旅行的机会……分布图中越远的地方,离我们也越远。不过,背景中恒星所发出的光不是我们瞬间就能看到的,即使光速(每秒30万公里)堪称极致,那也需要一定的时间。因为这段距离得用光年来计算,1光年相当于10万亿公里。

  因此,如果你往远处看,比如距离我们20亿光年的地方,那你所看到的东西是20亿年前的样子而不是现在的样子。就好像是回到了过去!明白了吗?好,现在回到分布图上,我们看到的是暗物质在25亿~75亿年前的样子。

  那么在这个异常遥远的年代,暗物质看上去是什么样子的呢?好像一碗面糊。而离我们越近,暗物质就越是聚集在一起,像一个个的面包丁。这张神奇的分布图显示,暗物质的形态随着时间而发生着变化。更重要的是,这一分布图为我们了解暗物质的现状提供了一条线索。马赛天文物理实验室的让-保罗克乃伯(Jean-Paul Kneib)参加了这张分布图的绘制工作,他认为这种“面包丁”的形状自25亿年以来就没有很大改变,所以我们看到的也就是暗物质现在的形状。

  那我们也在其中吗?把所有的数据综合起来再加上研究人员们的推测就可以在这锅宇宙浓汤中找到我们自己的历史。是的,是的……你可以把初生的宇宙设想成一个盛汤的大碗,汤里含有暗物质和普通物质……在这个碗里出现了两种相抗的现象:一方面是膨胀,试图把碗撑大;另一方面是引力,促使物质凝聚成块。结果,宇宙中的某些地方没有任何暗物质和可见物质,而它们在另外一些地方却异常密集:暗物质聚集在一起,星系则挂靠在暗物质上,就像挂在钩子上的画。但可惜的是,我们对暗物质究竟是什么还是一无所知……

  美国科学家称暗物质或许就存在于地球之上“暗物质”星系团,也被称为“子弹星系团”,距离地球38亿光年。通过研究这类星系团,科学家能够测量出暗物质的不可见影响。 据美国太空网报道,神秘的暗物质一直以来都是自然界的未解之谜,引起了科学家们的探索和争论。近日,美国“低温暗物质搜寻计划”项目组科学家研究指出,暗物质或许就存在于地球之上。 暗物质就因为它“模糊、隐晦”的特点而很难发现。事实上,科学家们也不知道究竟何为暗物质。由于暗物质既不释放任何光线,也不反射任何光线,因此最强大的天文望远镜都无法直接探测到它。自20世纪70年代以来,科学家们根据对许多大型天体之间,如星系之间的引力效果的观测发现,常规物质不可能引起如此大的引力,因此暗物质的存在理论被广泛认同。

  根据科学家们的理论,暗物质通常也不会与大多数常规物质结合。有的观点认为,暗物质能够直接穿越地球、房屋和人们的身体。一些科学家已经开始在地下寻找暗物质粒子存在的证据。

  美国明尼苏达大学科学家安吉拉-雷塞特尔是“低温暗物质搜寻计划”项目组成员之一。雷塞特尔表示,“就在我们的周围,存在一种暗物质流。每时每刻都存在一种交互。”她是在近期举行的美国物理学会一次会议上发表这一理论的。

  在最新一期《科学快讯》杂志上,雷塞特尔和同事们发表论文声称,他们最近发现了两起事件,这些事件可能就是由暗物质撞击探测器所引起的。雷塞特尔表示,“我们此前的探测结果从来没有如此发现,这是首次。”

“低温暗物质搜寻计划”位于明尼苏达州地下大约700米的一个矿井中。因此,矿井可以阻止其他任何物质抵达实验设备,除了暗物质。这样宇宙射线和其他粒子可能会与暗物质粒子混淆的可能性已基本被排除。探测器本身也主要是由锗元素或硅元素组成的曲棍球形状的小块。如果锗或硅原子原子核被暗物质粒子击中,它就会反弹并向探测器发送一个信号。

  科学家发现,宇宙中的暗物质与一些小型的临近星系密切相关。这些星系只有数颗恒星,但它们的质量却是这些恒星单独质量的一百倍。这种隐藏的物质就被科学家称作暗物质。

  然而,研究人员也无法完全确定他们所探测到的两个信号究竟是由暗物质粒子还是由其他粒子引起的。这两个信号太少,因此科学家们也无法确定。据科学家介绍,他们的计算曾经预测到背景可能会引起一次假事件。“低温暗物质搜寻计划”将继续进行他们的实验以期发现更多实质性的信号。

  地球上另一项探寻暗物质的尝试聚焦于强大的粒子加速器,这类加速器可以将亚原子粒子加速到接近光速,然后让它们相互碰撞。科学家们希望通过这种难以置信的高速碰撞从而产生奇异粒子,其中包括暗物质粒子。

  然而,即使采用最强大的粒子加速器,至今也未能发现暗物质的任何迹象。美国马里兰大学科学家萨拉-恩诺表示,“你也许会问为什么会这样,为什么组成宇宙大部分的物质粒子为什么在我们的加速器中从来没有发现过。”原因之一可能就是他们的加速器还没达到足够强大。

  科学家们也无法确定暗物质粒子究竟有多大,有多重,以及究竟需要多大的能量才能够在实验室中发现它们。或许在任何加速器中都无法找到暗物质粒子。恩诺表示,“我们或许不知道这样一个事实,那就是暗物质粒子是我们无法制造或探测到的粒子。”

现在,最大的希望就寄托于新型的粒子加速器大型强子对撞机身上。恩诺表示,“大型强子对撞机或许会最终让我们获得足够的能量以产生暗物质粒子,并在撞击中发出它们。”恩诺也是大型强子对撞机紧凑型μ子螺旋型磁谱仪实验项目组成员之一。

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世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在,向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于人类已知的物质之外,人们目前知道它的存在,但不知道它是什么,它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中,暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以

上。

  暗能量更是奇怪,以人类已知的核反应为例,反应前后的物质有少量的质量差,这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失,完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。

  宇宙之外可能有很多宇宙围绕暗物质和暗能量,李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”,指出“因为暗能量,我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”,“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。

  暗物质是谁最先发现的呢?1915年,爱因斯坦根据他的相对论得出推论:宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为,宇宙是有限封闭的。如果是这样,宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是,迄今可观测到的宇宙的密度,却比这个值小100倍。也就是说,宇宙

星体演化到一定阶段,温度降得很低,已经不能再输出任何可以观测的电磁信号,不可能被直接观测到,这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。

  还有另一类暗物质,它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质,不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

Abell 2390星系团(上半图)和暗物质星系团(下半图),距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像,是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片,而相对应的左半方影像,是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中,可以看到数量众多的星系,但在X射线影像里,这些星系的踪影却无处可寻,只见到一团温度有数百万度,而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外,这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量,它们所产生的重力,并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算,这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已!在右方哈伯望远镜的深场影像里,重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量,大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为,星系团内大部分的物质,是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”。

  1930年初,瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果:在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的。不过,兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据,这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道,根据人造卫星运行的速度和高度,就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离,就可以测出太阳的总质量。同理,根据物体(星体或气团)围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离,就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现,星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是:星系里必有看不见的暗物质。那么,暗物质有多少呢?根据推算,暗物质占宇宙物质总量的2030%才合适。

  天文学的观测表明,宇宙中有大量的暗物质,特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计,宇宙的总质量中,重子物质约占2%,也就是说,宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%,98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中,冷暗物质约占70%,热暗物质约占30%。

长久以来,最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子,它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子,只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当,甚至更长。由于成团过程发生在比哈勃视界(宇宙年龄与光速的乘积)小的范围内,而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小,因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕银河系的尺度要小得多,质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大,这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构,而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系,定性上这是与观测相一致的。相反的,对于相对论性粒子,例如中微子,在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子(与暗物质和普通物质)的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方,并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。   低温无碰撞暗物质(CCDM)被看好有几方面的原因。第一,CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二,作为一个特殊的亚类,弱相互作用大质量粒子(WIMP)可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱,那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后,由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计,这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是,在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。

  其中一个候选者就是中性子(neutralino),一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论超引力超弦理论的基础,它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子(尚未观测到),同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天,伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺,于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且,大部分超对称伴随粒子是不稳定的,在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是,有一种最轻的伴随粒子(质量在100GeV的数量级)由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中,这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的,那么当地球穿过太阳附近的暗物质时,地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意,这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。

  另一个候选者是轴子(axion),一种非常轻的中性粒子(其质量在1μeV的数量级上),它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用,由此它无法处于热平衡状态,因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中,轴子处于低温玻色子凝聚状态,现在已经建造了轴子探测器,探测工作也正在进行。

提出新机制的研究小组包括美国纽约布鲁克海文国家实验室英属哥伦比亚大学的科学家,研究发表在最近出版的《物理评论快报》上。他们称这种新机制为“原质起源论”(hylogenesis)。

  英属哥伦比亚大学克里斯西格森说:“我们正在努力把理论物理中的两个问题一起解释。这一机制将原子形成和暗物质联系在一起,有助于解开重子不对称的秘密,作为对整个暗物质加可见重子的平衡宇宙的一种重建。”

根据研究人员构建的机制,在物质形成景象中,早期宇宙产生了一种新粒子X和它的反粒子X-bar(带等量相反电荷)。X和X-bar在可见部分能结合成为夸克(重子物质的基本组成,如质子和中子),在“隐匿”部分组成了粒子(由于这种粒子可见部分的相互反应是微弱的),如此,在大爆炸开始后的第一时刻,宇宙膨胀变热时会有X和X-bar产生。

  随后,X和X-bar会衰变,部分变成可见的显重子(尤其是中子,由一个上夸克和两个下夸克组成),部分变成不可见的隐重子。据科学家解释,X衰变成中子的频率比X-bar衰变成反中子的频率更高,同样地,X-bar衰变为隐反粒子的频率比X衰变为隐粒子的频率要高。夸克形成的重子物质组成了我可见物质,隐反重子形成了我们所说的暗物质。这种阴阳衰变方式使得可见物质的正重子数量和暗物质的负重子数量达到平衡。

  英属哥伦比亚大学特里姆研究中心的肖恩图林说:“可见物质和暗物质的能量密度非常接近(1/5的不同)。在许多情况下,在广大宇宙的早期,生成可见物质和暗物质的过程是互不相关的。于是,这1/5的因素要么是早期出现的一个大偶然,要么是两种物质共同起源的重要线索。我认为,这为构建可见物质与暗物质起源的统一模型提供了主要依据。”

物理学家预测,这种物质形成机制将为寻找暗物质提供一个全新途径,它们会留下一些可在实验室探测到的特征标记。科学家解释说,当暗物质反粒子和一个普通原子粒子相撞而湮灭时,就会产生爆发的能量。尽管这非常稀有,但在地球上寻找质子自发衰变的实验中,能探测到暗物质。

  在天体物理学观测和离子加速器数据中,也可能会出现其他原质起源的信号。研究人员表示,今后也会在研究中考虑这些可能性。

由于综合了CCDM,标准模型在数学上是特殊的,尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定,但是我们依然可以在不同的尺度上检验这一理论。现在,能观测到的最大尺度是CMB(上千个Mpc)。CMB的观测显示了原初的能量和物质分布,同时观测也显示这一分布几近均匀而没有结构。下一个尺度是星系的分布,从几个Mpc到近1000个Mpc。在这些尺度上,理论和观测符合的很好,这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上。   然而在小一些的尺度上,从1Mpc到星系的尺度(Kpc),就出现了不一致。几年前这种不一致性就显现出来了,而且它的出现直接导致了“现行的理论是否正确”这一至关重要的问题的提出。在很大程度上,理论工作者相信,不一致性更可能是由于我们对暗物质特性假设不当所造成的,而不太可能是标准模型本身固有的问题。首先,对于大尺度结构,引力是占主导的,因此所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的。在小一些的尺度上,高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了。其次,在大尺度上的涨落是微小的,而且我们有精确的方法可以对此进行量化和计算。但是在星系的尺度上,普通物质和辐射间的相互作用却极为复杂。在小尺度上的以下几个主要问题。亚结构可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍。暗物质晕的数量基本上和它的质量成反比,因此应该能观测到许多的矮星系以及由小暗物质晕造成的引力透镜效应,但是目前的观测结果并没有证实这一点。而且那些环绕银河系或者其他星系的暗物质,当它们合并入星系之后会使原先较薄的星系盘变得比现在观测到得更厚。

  暗物质晕的密度分布应该在核区出现陡增,也就是说随着到中心距离的减小,其密度应该急剧升高,但是这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符。正如在引力透镜研究中观测到的,星系团的核心密度就要低于由大质量暗物质晕模型计算出来的结果。普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了,同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中。矮星系,例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系,则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心。流体动力学模拟出来的星系盘其尺度和角动量都小于观测到的结果。在许多高表面亮度星系中都呈现出旋转的棒状结构,如果这一结构是稳定的,就要求其核心的密度要小于预期的值。

  可以想象,解决这些日益增多的问题将取决于一些复杂的但却是普通的天体物理过程。一些常规的解释已经被提出来用以解释先前提到的结构缺失现象。但是,总体上看,现在的观测证据显示,从巨型的星系团(质量大于1015个太阳质量)到最小的矮星系(质量小于109个太阳质量)都存在着理论预言的高密度和观测到的低密度之间的矛盾。

  茫茫宇宙中,恒星间相互作用,做着各种各样的规则的轨道运动,而有些运动我们却找不着其作用对应的物质。因此,人们设想,在宇宙中也许存着我们看不见的物质。

  现已知道,宇宙的大结构呈泡沫状,星系聚集成“星系长城”,即泡沫的连接纤维,而纤维之间是巨大的“宇宙空洞”,即大泡泡,直径达1~3亿光年。如果没有一种看不见的暗物质的附加引力“帮忙”,这么大的空洞是不能维持的,就像屋顶和桥梁的跨度过大不能支持一样。

  我们的宇宙尽管在膨胀,但高速运动中的个星系并不散开,如果仅有可见物质,它们的引力是不足以把各星系维持在一起的。

  我们知道,太阳系的质量,99.86%集中在太阳系的中心即太阳上,因此,离太阳近的行星受到太阳的引力,比离太阳远的行星大,因此,离太阳近的行星绕太阳运行的速度,比离太阳远的行星快,以便产生更大的离心加速度(离心力)来平衡较大的太阳引力。但在星系中心,虽然也集中了更多的恒星,还有黑洞,可是,离星系中心近的恒星的运动速度,并不比离得远的恒星的运动速度快。这说明星系的质量并不集中在星系中心,在星系的外围区域一定有大量暗物质存在。

  天体的亮度反应天体的质量。所以天文学家常常用星系的亮度来推算星系的质量,也可通过引力来推算星系的质量。可是,从引力推算出的银河系的质量,是从亮度推算的银河系质量的十倍以上,在外围区域甚至达五千倍。因而,在那里必然有大量暗物质存在。

中国首个极深地下实验室“中国锦屏地下实验室”于2010年12月12日在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用,锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米,是目前世界岩石覆盖最深的实验室。它的建成标志着中国已经拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台,能够自主开展像暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题。目前,清华大学实验组的暗物质探测器已经率先进入实验室,并启动探测工作,而明年上海交通大学等研究团队也将进入这里开展暗物质的探测研究。

Billy Shebar

主演: 刘烨 (《蓝宇》,《美人草》,《满城尽带黄金甲》,《南京!南京!》)

梅丽尔斯特里普 (《克莱默夫妇》,《索菲的选择》,《穿普拉达的恶魔》)

艾登 昆 (《This is my Father》,《Bury My Hear at Wounded Knee》)

摄影 Cinematography:Oliver Bokelberg

首映2007-01-23 美国

发行公司: Myriad Pictures Inc

片长:USA:90 min (Sundance Film Festival)

级别:USA:R

拍摄日期: 2006年6月5日 -

影片官网:

www.darkmatterthemovie.com

官方字幕:

www.ifuzhu.com

宇宙学。刘星违背导师的意愿,一心探索暗物质领域的奥秘。他凭借自己的勤奋和天才在研究上取得重大突破,却因为校园政治而遭遇不公,致使梦想破灭,最终走上暴力之路。梅丽尔斯特里普在影片中饰演热爱中国文化,关心中国学生的大学赞助人席尔瓦夫人。

电影《暗物质》反映了人们如何正确面对理想和现实的差距的问题,也触及到中美文化之间差异和缺乏相互理解的现实。影片在2007年日舞电影节上大受好评,获得斯隆奖及两万美元奖金。影片原计划2007年八月在北美公映,由于三月弗州枪杀案的影响而推迟到2008年春季。

卢刚事件背景:

1991年11月1日万圣节这天,中国留学生卢刚在刚刚获得衣阿华大学太空物理博士学位的时候,开枪射杀了3位教授和副校长安-柯莱瑞以及一位和卢刚同时获得博士学位的中国留学生山林华。枪杀五人之后,卢刚随即当场饮弹自尽。

开枪杀人的卢刚是北京市人,出生于普通工人家庭,18岁考入北京大学物理系,1984年通过李政道主持的中美物理学交流计划选拔,毕业后旋即以交换学生身份公费赴美攻读博士学位,就读于衣阿华大学物理与天文学系,时年22岁。卢刚毕业时未能获得最佳论文奖,并面对巨大就业压力,最终酿成悲惨血案。

1991年11月4日,安-柯莱瑞的3位兄弟以她的名义捐出一笔资金,宣布成立安-柯莱瑞博士国际学生心理学奖学基金,用以安慰和促进学生的心智健康,减少人类悲剧的发生。

《暗物质》在2007美国圣丹斯电影节获得探讨科学及科技问题的Alfred P.Sloan奖

圣丹斯电影节,上百部影片中,《暗物质》是第一部值得看的。

洛杉矶时报

想象不到的动人,感动到流泪的一部影片。

综艺

美国圣丹斯电影节获得探讨科学及科技问题的Alfred P.Sloan奖。

刘烨自曝拍摄花絮

以为刘烨是功夫巨星

《暗物质》中只有两个中国人,一个是导演陈士争,另一个就是男一号刘烨。剧组里的美国工作人员看到两位好莱坞“大腕”梅丽尔斯特里普方基默来给刘烨配戏时都惊讶不已,“初进剧组的那几天,气氛非常诡异,他们私下里都在议论我是不是从中国来的功夫巨星,因为在美国,只有中国武侠片还算有点江湖地位,至于让美国的一线明星在一个中国演员领衔的美国电影中配戏,在好莱坞绝对是一件稀罕事。”

斯特里普说“Nice!”

剧组开机后的第二周,梅丽尔就和刘烨上演了一场在全片中极为重要的对手戏。受到导师陷害的留学生刘星到社区做义工……上人家里推销商品,看到聪明绝顶的刘星沦落到这个境地,一直对他怀有复杂情感的梅丽尔泪如雨下。刘烨兴奋地回忆说,“梅丽尔的表现非常生活化,但是极具爆发力,那场哭戏只拍了一条就过了,当时她自己还想再拍一条,但导演表示不用了。”

刘烨本人在那场戏中也有不俗的表现,“拍了两周的戏,梅丽尔那天第一次对我说,Liu,You’reverynice!”

每周只上五天班

《暗物质》在美国开机已经有两周的时间,除了拗口的台词让刘烨有些挠头,“一切都很惬意”。最让刘烨感慨的是,剧组严格执行“五天工作制”,让他每周都有两天的时间享受周末。刘烨说,“美国的工会非常厉害,如果制片方要让演员多干几个小时,就会被告上法庭,所以即使是像这样一部投资并不高的艺术影片也会不折不扣地执行各项工会规章。”

否认《暗物质》有损国人形象

《暗物质》讲述了中国留学生枪杀导师,很多人怀疑本片是否对中国人形象有损。刘烨经纪人对此表示:“首先这部电影并不是大家想象中的负面、侮辱什么的,跟卢刚事件也没有关联,更多的是讲一个人的发展,说了很多人性的东西,人在当时的环境下,各种原因促成了他走上了极端,写得很客观。之前我也怕有问题,所以特意要来剧本看了,特别激动,刘烨看了也很喜欢。我觉得没看过剧本或者电影就没有发言权,妄加猜测不好,其实同类型的电视剧国内也有。最早是美方通过猎头公司要了几个亚洲演员的资料,然后给我打电话要了刘烨的一些资料。一两个月后导演就过来见面,他是一个美籍华人,原来是做舞台剧的,这是他第一部电影,下了很大功夫。而且整部戏全写刘烨一个人,斯特里普和方基默为他搭戏做绿叶,是很难得的锻炼机会。不过刘烨这次扮演的仍旧是一个不幸福、很压抑的人,跟以前他的作品相似。”

长久以来,最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子,它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当,甚至更长。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子,只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。由于成团过程发生在比哈勃视界(宇宙年龄与光速的乘积)小的范围内,而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小,因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕银河系的尺度要小得多,质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大,这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构,而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成不同体积和质量的结构体系,定性上这是与观测相一致的。相反的,对于相对论性粒子,例如中微子,在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构。因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点。无碰撞指的是暗物质粒子(与暗物质和普通物质)的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方,并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。

低温无碰撞暗物质(CCDM)被看好有几方面的原因。第一,CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二,作为一个特殊的亚类,弱相互作用大质量粒子(WIMP)可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱,那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后,由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计,这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是,在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。

其中一个候选者就是中性子(neutralino),一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论超引力超弦理论的基础,它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子(尚未观测到),同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天,伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺,于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且,大部分超对称伴随粒子是不稳定的,在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是,有一种最轻的伴随粒子(质量在100GeV的数量级)由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中,这些粒子是呈电中性弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的,那么当地球穿过太阳附近的暗物质时,地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意,这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。

另一个候选者是轴子(axion),一种非常轻的中性粒子(其质量在1μeV的数量级上),它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用,由此它无法处于热平衡状态,因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中,轴子处于低温玻色子凝聚状态,现在已经建造了轴子探测器,探测工作也正在进行。

20世纪30年代,荷兰天体物理学家奥尔特指出:为了说明恒星的运动,需要假定在太阳附近存在着暗物质;同年代,茨维基从室女星系团星系的运动的观测中,也认为在星系团中存在着大量的暗物质;美国天文学家巴柯的理论分析也表明,在太阳附近,存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质。

那么,太阳附近和银道面上的暗物质是些什么东西呢?天文学家认为,它们也许是一般光学望远镜观测不到的极暗弱的褐矮星或质量为木行星30~80倍的大行星。在大视场望远镜所拍摄的天空照片上已发现了暗于14星等,不到半个太阳质量的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近,从探测到的M型矮星的数目可推算出,它们大概能提供银河系应有失踪质量的另一半。且每一颗M型星发光,最多只能有几万年。所以人们认为银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星“燃烧”后的“尸体”,足以提供理论计算所需的全部暗物质。

观测结果和理论分析均表明漩涡星系外围存在着大质量的暗晕。那么,暗晕中含有哪些看不见的物质呢?英国天文学家里斯认为可能有三种候选者:第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星;第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞;第三种是奇异粒子,如质量可能为20~49电子伏且与电子有联系的中微子,质量为105电子伏的轴子或目前科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子。

欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为,星系晕及星系团中最佳的暗物质候选者是超对称理论所要求的S粒子。这种理论认为:每个已知粒子的基本粒子(如光子)必定存在着与其配对的粒子(如具有一定质量的光微子)。伊里斯推荐四种最佳暗物质候选者:光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科学家还认为,这些粒子也是星系团之间广大宇宙空间中的冷的暗物质候选者。

到现在,已有不少天文学家认为,宇宙中90%以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着。但暗物质到底是些什么东西至今还是一个谜,还待于人们去进一步探索。

2006年1月6日报道,剑桥大学天文研究所的科学家们在历史上第一次成功确定了广泛分布在宇宙间的暗物质的部分物理性质。目前,从事此项研究的科学家们正准备在最近几周内将此项研究结果公开发表。

天文学家们称,根据当前一些统计资料显示,我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的95%。

在本次这项研究中,科学家们借助强功率天文望远镜(包括架设在智利的甚大天文望远镜VLT --Very Large Telescope)对距离银河系不远的矮星系进行了共达23夜的研究,此后科学家们还通过约7000余次的计算得出结论称:在他们所观测的这些矮星系中,暗物质的含量是其它普通物质的400多倍。此外,这些矮星系中物质粒子的运动速度可达每秒9公里,其温度可达10000摄氏度。

同时科学家们还观测到,暗物质与其它普通物质还有着巨大的差异,如:尽管观测目标的温度是如此之高,但是这样的高温却不会产生任何辐射。据领导此项研究的杰里-吉尔摩教授认为,暗物质微粒很有可能不是由质子和中子构成的。然而在此之前科学家们曾一贯认为,暗物质应该是由一些“冷”粒子构成的,这些粒子的运动速度也不会太高。

暗物质研究专家们还表示,宇宙间最小的连续存在的暗物质片段大小也有1000光年,这样的暗物质片段质量约是太阳的30多倍。科学家们还在此次研究中确定出了暗物质微粒分布的密度,譬如,在地球上每立方厘米的空间如果能够容纳1023个物质粒子,那么对于暗物质来说这么大的空间只能容纳约三分之一的微粒。

早在30年代,瑞士科学家弗里兹-茨维基就设想宇宙间存在着某种不为人所知的暗物质。他还指出,星系群中的发光物质如果只依靠自身的引力将各个星系保持联接在一起,那么它们的量就必须要再增加10倍。而用来弥补这个空缺的就是看不见的重力物质,即我们今天所说的暗物质。尽管暗物质在宇宙间的储藏量比其它普通物质高出许多,但有关暗物质的性质目前科学家们尚不能给予完整的表述。

2007年1月,暗物质分布图终于诞生了!经过4年的努力,70位研究人员绘制出这幅三维的“蓝图”,勾勒出相当于从地球上看,8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓。他们使出了什么好手段化隐形为有形的呢?那可全亏了一项了不起的技术:引力透镜

更妙的是这张分布图带给我们的信息。首先我们看到,暗物质并不是无所不在,它们只在某些地方聚集成团状,而对另一些地方却不屑一顾。其次,将星系的图片与之重叠,我们看到星系与暗物质的位置基本吻合。有暗物质的地方,就有恒星和星系,没有暗物质的地方,就什么都没有。暗物质似乎相当于一个隐形的、但必不可少的背景,星系(包括银河系)在其中移动。分布图还为我们提供了一次真正的时光旅行的机会……分布图中越远的地方,离我们也越远。不过,背景中恒星所发出的光不是我们瞬间就能看到的,即使光速(每秒30万公里)堪称极致,那也需要一定的时间。因为这段距离得用光年来计算,1光年相当于10万亿公里。

因此,如果你往远处看,比如距离我们20亿光年的地方,那你所看到的东西是20亿年前的样子而不是现在的样子。就好像是回到了过去!明白了吗?好,现在回到分布图上,我们看到的是暗物质在25亿~75亿年前的样子。

那么在这个异常遥远的年代,暗物质看上去是什么样子的呢?好像一碗面糊。而离我们越近,暗物质就越是聚集在一起,像一个个的面包丁。这张神奇的分布图显示,暗物质的形态随着时间而发生着变化。更重要的是,这一分布图为我们了解暗物质的现状提供了一条线索。马赛天文物理实验室的让-保罗克乃伯(Jean-Paul Kneib)参加了这张分布图的绘制工作,他认为这种“面包丁”的形状自25亿年以来就没有很大改变,所以我们看到的也就是暗物质现在的形状。

那我们也在其中吗?把所有的数据综合起来再加上研究人员们的推测就可以在这锅宇宙浓汤中找到我们自己的历史。是的,是的……你可以把初生的宇宙设想成一个盛汤的大碗,汤里含有暗物质和普通物质……在这个碗里出现了两种相抗的现象:一方面是膨胀,试图把碗撑大;另一方面是引力,促使物质凝聚成块。结果,宇宙中的某些地方没有任何暗物质和可见物质,而它们在另外一些地方却异常密集:暗物质聚集在一起,星系则挂靠在暗物质上,就像挂在钩子上的画。但可惜的是,我们对暗物质究竟是什么还是一无所知……

标准模型给出的62种粒子中,能够稳定地独立存在的粒子只有12种,它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子引力子。这12种稳定粒子中,电子、正电子、质子、反质子是带电的,不能是暗物质粒子,光子和引力子的静止质量是零,也不能是暗物质粒子。因此,在标准模型给出的62种粒子中,有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。

20世纪80年代初期,美国天文学家艾伦森发现,距我们30万光年的天龙座矮星系中,许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质,即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的,它们会到处乱窜,只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”,它是一种非常稳定的冷“微子,质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。

轴子模型是否成立,最终得由实验裁决。最近,还有人提出,暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质,它产生于大爆炸后的一秒期间内,直径为1万亿亿亿分之一厘米,质量密度大得惊人,每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立,同样有待科学家进一步研究。

为探索暗物质的秘密,世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作,相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。

在引入宇宙暴涨理论之后,许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的,而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的(这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的)。与此同时,宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙,其中能量密度都以物质的形式出现,包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上,观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差,但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值,而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。

当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时,暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲,它们的组成是完全不同的。更重要的是,像普通的物质一样,暗物质是引力自吸引的,而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的,并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以,在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此,暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后,两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现,宇宙正在加速膨胀。由此,暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotrope Probe,WMAP)的观测也独立的证实了暗能量的存在,并且使它成为了标准模型的一部分。

暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论,在一个仅含有物质的宇宙中,物质密度决定了宇宙的几何,以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话,情况就完全不同了。首先,总能量密度(物质能量密度与暗能量密度之和)决定着宇宙几何特性。其次,宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位,但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定,它目前正时宇宙加速膨胀,而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态,否则这种加速膨胀态势将持续下去。

暗物质是相对可见物质来说的。所谓可见物质,除发射可见光的物质外,还包括辐射红外线等其他电磁波的物质。虽然宇宙中的可见物质大部分不能用肉眼直接看到,但探测它们发出的各种电磁波就可以知道它们的存在。暗物质不辐射电磁波,但有质量。

科学家为什么会提出“暗物质”这个概念?宇宙中有没有暗物质?

在物理学中,把状态变化的“转折点”成为“临界点”,比如水变成冰,温度临界值(或者说“临界点”)为0℃。宇宙学的研究认为,宇宙中物质的平均密度,与决定宇宙是膨胀还是收缩的临界值,相差不会超过百万分之一。可是,宇宙中发可见光的恒星和星系的物质总量不到临界值的1%,加上辐射其他电磁波的天体,如行星、白矮星黑洞等,最多也只有临界值的10%。

现已知道,宇宙的大结构呈泡沫状,星系聚集成“星系长城”,即泡沫的连接纤维,而纤维之间是巨大的“宇宙空洞”,即大泡泡,直径达1~3亿光年。如果没有一种看不见的暗物质的附加引力“帮忙”,这么大的空洞是不能维持的,就像屋顶和桥梁的跨度过大不能支持一样。

我们的宇宙尽管在膨胀,但高速运动中的个星系并不散开,如果仅有可见物质,它们的引力是不足以把各星系维持在一起的。

我们知道,太阳系的质量,99.86%集中在太阳系的中心即太阳上,因此,离太阳近的行星受到太阳的引力,比离太阳远的行星大,因此,离太阳近的行星绕太阳运行的速度,比离太阳远的行星快,以便产生更大的离心加速度(离心力)来平衡较大的太阳引力。但在星系中心,虽然也集中了更多的恒星,还有质量巨大的黑洞,可是,离星系中心近的恒星的运动速度,并不比离得远的恒星的运动速度快。这说明星系的质量并不集中在星系中心,在星系的外围区域一定有大量暗物质存在。

天体的亮度反应天体的质量。所以天文学家常常用星系的亮度来推算星系的质量,也可通过引力来推算星系的质量。可是,从引力推算出的银河系的质量,是从亮度推算的银河系质量的十倍以上,在外围区域甚至达五千倍。因而,在那里必然有大量暗物质存在。

那么,暗物质是些什么物质呢?

宇宙学研究发现,在宇宙大爆炸初期产生的各种基本粒子中,有一种叫做中微子的粒子不参与形成物质的核反应,也不与任何物质作用,它们一直散布在太空中,是暗物质的主要“嫌疑人”。

但中微子在1931年被提出来以后,一直被认为质量为零。这样,即使太空是中微子的海洋,也不会形成质量和引力。曾有人设想存在一种“类中微子”,它的性质与中微子类似,但有质量。可是一直没有发现“类中微子”的存在。

极小的中微子运动速度极高,可自由穿透任何物质,甚至整个地球,很难被捕找到。但中微子与物质原子和亚原子粒子碰撞时,会使他们撕裂而发出闪光。探测到这种效应就是探到了中微子。但为了避免地面上的各种因素的干扰,必须把探测装置(如带测量仪器并装有数千吨水的水箱)放在很深(如1000米)的地下。

1981年,一名苏联科学家在试验中发现中微子可能有质量。近几年,日、美科学家进一步证实中微子有质量。如果这个结论能得到最后确认,则中微子就是人们寻找的暗物质。

寻找暗物质有着重大的科学意义。如中微子确有质量,则宇宙中的物质密度将超过临界值,宇宙将终有一天转而收缩。关于宇宙是继续膨胀还是转而收缩的长久争论将尘埃落定。

陈大明研究员为大家讲述爱因斯坦的“电梯实验”。

海王星在1846年9月23日被发现,是唯一利用牛顿理论预测而非有计划的观测发现的行星,如果说这是牛顿引力理论的辉煌,那么,距离太阳最近的水星则代表了牛顿引力理论的失败。”陈大明在讲座中还向大家提问,现在我们头顶上到底是有两朵名为“暗物质”和“暗能量”的乌云,还是只有一朵“弱引力场现象,而非所谓的暗物质和暗能量”的乌云?结论是新的引力理论还没诞生,还需要更多的人来继续研究

7月10日上午九点半,来自国家天文台的陈大明研究员开始了“暗物质和暗能量对引力理论的挑战”讲座。讲座内容从七个方面展开,从最初的大爆炸宇宙学开始,为大家次第讲述引力理论、哈勃膨胀、暗物质、暗能量,再到引发大家“是新物质和新能量,还是新引力理论”的哲学思考。

讲座结束后,很多听众仍不愿离去,围在陈大明的身边继续你一个问题我一个问题的询问,“我是从辽宁赶过来听这场讲座的,”一位姓刘的先生说,“陈老师讲座非常的精彩,我本人对天文十分的感兴趣,以后有机会会继续来参加!”


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