什么是暗物质和暗能量?

物理学充满了惊奇,但最令人惊奇的莫过于发现宇宙95%的质量是我们看不见的。这就是所谓的“暗物质”和“……”
一月十九日

anneholden2_HST_Mars.jpg

图3:火星。这张图片说明了哈勃望远镜可以产生的大量细节。它只能捕捉到16公里宽的细节,尽管它在距离地球6800万公里的地方工作。

分享

物理学经常被认为是现代科学应该是什么样子的一个模型,因为它非常强调对理论思想的观察或实验验证。在这门学科中,人们更青睐确凿的事实,而不是与不可观察的事物有关的思想实验。然而,物理学也有一段关于物质的思想历史,这些物质不仅接近于不可观察,而且具有难以捉摸的奇异特性。Mars_from_hubble例如,在过去的十年中,天文学家和物理学家得出的结论是,我们宇宙中大约95%的物质和能量是如此超现实,以至于它被称为“黑暗”。那么,这一科学分支是否又回到了假设看不见的事物存在?

以太

很长一段时间以来,人类都倾向于相信,一切真理的底层是某种物质的、某种机械的东西。因此,在相当长的一段时间内,热和传热现象被解释为“热流体”流动的结果。但是,一旦焦耳发现了能量的流动,而玻尔兹曼根据分子的微观运动提出了一种解释,这种想法很快就消失了。另一个类似的概念是“以太”。麦克斯韦电磁场定律与连续介质的应力、剪切和压缩定律非常相似。电场和磁场最初被认为是用来描述一种定义不清、看不见的物质——以太——对应力和应变的反应。这种材料必须具有奇怪的特性,因为地球和行星能够在没有任何摩擦的情况下穿过它。然而,以太中波的巨大速度,即光速,要求材料具有相当极端的刚性。从某种意义上说,以太坊非常困难,而且非常稀疏。直到19世纪末,测量才确凿地表明,地球相对于以太根本没有运动,从而进一步增加了矛盾性质的清单。 Einstein realized that Maxwell's law does not need a material basis and that we should simply accept the electric and magnetic fields as physical quantities in their own rights.

暗物质

我们在某种程度上错过了宇宙中部分物质的第一个迹象来自于对恒星绕星系中心旋转速度的观察。利用牛顿定律和观测到的发光物质的分布,人们可以计算出离银河系中心一定距离的恒星旋转的速度。然而,这些计算结果与观测结果不符。解决办法是考虑不发光物质或“暗物质”的存在。然而,另一种选择是怀疑牛顿定律是否仍然成立,事实上,使用更精确的广义相对论似乎可以减轻痛苦[1]。

然而,还有更多的暗物质有待发现。研究星系团中星系的运动也揭示了这里和那里的质量存在引力,但仍未被观察到。此外,我们现在看到的各种星系团的宇宙大尺度结构的“播种”应该是由暗物质驱动的,在一定程度上是由暗物质驱动的。所有这些考虑都不能让我们确定暗物质的任何特定候选成分。目前还没有已知的基本粒子,可以满足暗物质出现的整个光谱。所以人们提出了对牛顿力学更激进的背离,比如"蒙德项目[2]《修正牛顿动力学》。尽管目前还不清楚这些想法如何与广义相对论相协调,但就在几年前,贝肯斯坦发现了它们的相对论版本。

暗物质摇尾巴的模式也有一定程度的随机性,因为一些星系似乎几乎完全由暗物质组成,而另一些星系几乎没有暗物质。那么,我们是否要把科学上的全部资金押在另一种看不见的材料上,这种材料需要结合越来越多相互矛盾的特性?

暗能量

通常,暗能量问题与暗物质问题被归为一类,尽管两者有很大的不同。对于暗物质,我们没有任何真正的理论。我们不知道它是什么,也不知道它的行为。但在1998年前后,越来越多的证据表明,宇宙的膨胀并没有像预期的那样放缓,而是在加速。这通常被称为“负压存在的证据”,或者被称为“暗能量”。然而,这是一种推销言论,因为广义相对论的方程完全可以用广义相对论所说的“宇宙学常数”[3]。

当爱因斯坦推导出他的引力理论的方程式时,他很快意识到静态宇宙是很难得到的。他喜欢这些,在寻找出路的过程中,他发现他的方程并不是最一般的,还可以加上另一个术语——诱人的宇宙学常数.这是一个事实,没有人真正知道它来自哪里,但同时也没有人知道为什么它不应该存在。目前我们还没有可靠的方法在基本粒子物理学的基础上估计或计算宇宙常数的值。唯一已知的估计有大约100个数量级的误差,这可能是物理学有史以来最糟糕的预测。宇宙常数出现的原因通常是在宇宙物质含量的动力学中寻找的。然而,爱因斯坦的理论也会让我们把宇宙常数看作时空的几何属性,而不是其中物质的属性。

黑暗未来的前景?

人们很容易认为物理学正在“失去它”。然而,最近日内瓦大型强子对撞机(LHC)的启动标志着寻找希格斯玻色子的开始,希格斯玻色子被认为是赋予物质质量的粒子。很有可能,如果一种未知的新形式的物质潜伏在星系的黑暗中,大型强子对撞机将有能力在实验室中重现它。然而,有可能在2015年,也就是爱因斯坦发表他伟大的广义相对论100年后,我们会发现,当加速度变得非常小时,我们关于引力或力学的想法需要修正。暗物质效应在这个范围内,但太阳系探测器先锋11号和其他一些探测器的怪异和迄今为止无法解释的行为,都是由同样小幅度的“异常”加速度造成的。虽然达斯·维达教会了我们永远不要低估黑暗面的力量,物理学的黑暗面可能很快就会有新的曙光出现。

参考文献

[1]刘志强,刘志强。
http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/0507619, H. Balasin和D . Grumiller,
http://arxiv.org/abs/astro-ph/0602519

[2]有关Mond的源代码,请参阅
http://www.astro.umd.edu/~ssm/mond/

[3]宇宙常数:
http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2001-1/index.html

评论

添加注释