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暗物质与暗能量  

2013-06-22 10:41:23|  分类: 科学 教育 |  标签: |举报 |字号 订阅

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文章来源:高能物理研究所

宇宙的起源和进化是物理学研究的最基本的问题之一。建立在广义相对论和宇宙学原理(即在宇宙大尺度上,物质的分布是高度均匀各向同性的)之上的大爆炸宇宙模型告诉我们大约137亿年前,大爆炸发生的那一刻,宇宙处于一个极致密、极高温的状态,形成了空间和时间,宇宙随之诞生,并经过膨胀、冷却演化至今。在这个过程中,宇宙经历了原初轻元素合成、光子退耦和中性原子形成、第一代恒星形成等几个重要的时期,星系、地球、空气、水和生命便在这个不断膨胀的时空里逐渐形成。

二十世纪二十年代,天文学家哈勃从星系光谱的红移的观测中发现宇宙中所有的星系都在彼此远离退行,距离越远,退行速度越大,二者成正比,这个比例系数被称为哈勃常数,这个规律叫哈勃定律。在此基础上,产生"膨胀宇宙"的概念和"大爆炸宇宙模型"。二十世纪大量的天文观测和天体物理研究结果都证实这个模型。

2003年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量,进一步强有力地支持了这一模型。这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就。WMAP的结果告诉我们,宇宙中普通物质只占4%,23%的物质为暗物质,73%是暗能量, SDSS 也给出类似的结果。从物质基本结构的观点出发,普通的物质,如树木、桌子以及我们人类本身,是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的,目前已知的最基本的粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的粒子(如光子,胶子等)。北京正负电子对撞机就是系统地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)轻子。

什么是暗物质呢?暗物质是不发光的,但是它有显著的引力效应。比如,对于一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速度,如果物质存在的区域和光存在的区域是一样的话,由牛顿引力定律可知,距离中心越远,速度应该越小。可是天文观测事实不是这样的,这就说明当中有看不见的暗物质。目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质。中微子是一种暗物质粒子,但WMAP和SDSS的结果说明,它的质量应当非常小,在暗物质中只能占微小的比例,绝大部分应是所谓的中性的弱作用重粒子。它们究竟是什么目前还不清楚。理论物理学家猜测,它们可能是超对称理论中的最轻的超对称粒子,是稳定的,在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留下来。目前世界各国科学家,例如中意科学家合作组DAMA实验,丁肇中先生领导的AMS实验,正在进行着各种加速器和非加速器实验,试图找到这种暗物质粒子。

暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明,宇宙在加速膨胀,星系膨胀的速度不象哈勃定律描述的那样,是恒定的,而是在不断加速。按照爱因斯坦引力场方程,加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。但是,我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右,所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量,其基本特征是具有负压,在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近WMAP数据显示,暗能量在宇宙中占总物质的73%。值得注意的是,对于通常的能量(辐射)、重子和冷暗物质,压强都是非负的,所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。

然而现在物理学的基本理论还无法解释观测到的这一暗能量。暗能量是二十一世纪物理面临的最大的挑战。物理学对暗能量这种新类型物质的探索才刚刚开始。众说纷纭,但仅仅是一些猜测和设想,远没有形成一个基本合理的解释。科学家正在计划发射新的探测卫星,对于宇宙大尺度空间进行更多更精确更系统的观测,进一步研究宇宙加速膨胀的规律,确定暗能量的形式和物理特征,不同的暗能量形式将导致非常不同的宇宙膨胀的规律。解决这一问题需要新的理论,这样的理论一旦被找到,很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论。这将是一场重大的物理学革命。

综上所述,研究暗物质、暗能量这些新的问题需要将描述微观世界的粒子物理与描述宇观世界的宇宙学结合起来。这一极大与极小的联系是21世纪物理学和天文学研究的一个新特点。


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