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目前没有任何的理论能够解释暗物质

2020/7/17 13:20:37 来源:原创 浏览:

作者:太空生物学·黄媂

当一个人仰望繁星点点的苍穹时,他往往会为宇宙的宏伟与浩瀚而折服,宇宙就像一片点缀着星星的巨大黑暗,目光所及的一切都是对过去的虚幻再现,我们所观察到的很多东西或许早已经不存在了,消失了,我们看到的不过是它们在数千年前发出的光,而这些光要耽误一些时间,直到这一刻才到达我们的眼中,从宇宙中获得的所有信息都以电磁辐射的形式存在的,这些电磁辐射是我们能用肉眼或技术所捕捉到的,如可见光,红外线,紫外线,无线电波和X射线等等,此外引力波也被成功的检测到了,但事实证明,正如不是所有的金子都会发光一样,宇宙不仅仅是只会发光的东西,它的很大一部分都隐藏了起来,这部分便是——暗物质。

图解:圈中为暗物质区域

宇宙膨胀的反引力

这是一种构成了27%宇宙物质的能量物质,既不是暗物质,一种导致宇宙膨胀的反引力,也不是中微子,由于它并不发生任何类型的电磁辐射,因此得名暗物质。由原子组成的传统物质,如构成我们身体的原子,构成星球的原子,它们加起来还抵不上整个宇宙的5%,与宇宙中所存在的其他物质相比,这5%绝对是惊人的少数比例,它们是如此的渺小卑微,既然暗物质不发射任何东西,也不与电磁辐射相互作用,那么是如何知道它们的存在呢?

尽管不能直接探测到暗物质,但科学家能够通过别的痕迹,如它所产生的引力作用来寻找暗物质,天文学家弗里茨·兹威基观察到后发座星系团中有异常的运动迹象,机制运动速度远超出理论预期,然而率先推断出其内部可能存在着一种暗物质,当时的科学界并没有重视他的观察结果,然而这么多年过去了,目前依旧没有任何的理论能够解释这种异常现象。

1974年,美国天文学维拉·鲁宾观测星系转速时,发现围绕星系外侧旋转的恒星的运动速度远远超过万有引力定律的理论预期,理论上离中心最近的恒星应该比离中心较远的恒星旋转得更快,例如根据开普勒和牛顿定律,海王星绕太阳公转的速度要比水星更慢,而维拉·鲁宾发现这些恒星都以相同的速度运动,位于星系外侧的恒星的运动速度并没有遵循所谓的旋转曲线,而是速度更快,这样一来便有两种可能:

第一种:万有引力定律出现了错误,我们必须对已经取得重大进展的物理学进行修正。

第二种:宇宙中一定隐藏了某种不发光,我们无法看到的物质,它能够施加引力改变恒星预期的旋转速度。

第二种可能性也就是说存在这样一种可能性,即这些星系不仅是我们看到的球状物或者是发光的螺旋,而是被巨大的能量包围,形成了一个我们无法看到的巨大光环,这种光环被称为——暗物质,暗物质可以用来解释恒星的异常行为,随后其他现象如引力透镜,宇宙微波背景中的痕迹或某些星系的运动,都证实了暗物质的存在,暗物质的发现彻底改变了天文学的历史。

凡人遇英雄

1948年,薇拉·鲁宾完成了艺术专业的本科学业,这也是当时女性常常被推荐的专业,准备申请进入普林斯顿大学的天文学专业攻读研究生,却因自己的女性身份而遭拒绝,而该系一直到了1975年才开放女性入学,于是她便申请了康奈尔大学的物理学专业,并因此结识了20世纪最重要的物理学家理查德·费曼和汉斯·贝斯,薇拉·鲁宾的博士学位就读于乔治城大学,师从乔治·伽莫夫,在她的博士论文中,她指出星系在宇宙中的位置并不是随机的,而是分布于大的星团之中,11年后她离开了乔治城大学,成为华盛顿卡内基科学研究所的终身研究员,并在这里遇到了天文学家肯特·福特向她解释了哈勃定律以及星系膨胀的偏差,正式研究仙女座星系外围恒星的运动时,她有了自己最伟大的发现暗物质,在接下来的几年中,除了继续探究暗物质之外,她还花了很大的精力,希望让女性也有机会从事科学事业,不幸的是她没能获得诺贝尔物理学奖,但是至少第5726号小行星以薇拉·鲁宾的名字命名,虽然这远不足以表彰她所做出的贡献,薇拉·鲁宾的工作鼓舞并将继续激励着全世界成千上万的女性。

暗物质是微粒子吗?

尽管这种奇怪现象已经被命名为暗物质,但它的性质仍然是科学界最大的谜团之一,暗物质到底是什么?它又是由什么组成的?

我们已经知道暗物质不发光,不与电磁辐射相互作用,不以相对速度运动,并且在时间的推移过程中相对稳定,即便如此当我们着眼于标准模型及目前对构成宇宙的粒子夸克、电子等的分类理论,我们会发现已知的宇宙中没有任何东西符合我们所寻求的特征,也有人猜想暗物质可能是由那些我们已知的却不发光的物质组成的,如不发光的气体或者棕矮星,我们称之为重子暗物质。

重子是一种由三个夸克组成的粒子,原子由电子、质子和中子构成,这是道尔顿理论的研究结果之一,大家一定听说过道尔顿,因为我们经常谈论到色盲这个词,但从80年代起一切都变了,就好像在基本粒子的聚会上,不断有新的外来的客人加入进来,来阐述道尔顿所不能解释的物理现象,比如说粒子可以根据自身的质量而划分为3代,就像族谱一样,每一代都与上一代相同,但规模更大:

第1代:电子、电中微子、上夸克、下夸克。

第2代:缪子、缪中微子,奇异夸克、粲夸克。

第3代:陶子、陶中微子、底夸克、顶夸克。

根据不同的划分,粒子的家族简直有权力的游戏中的家族那么多,例如按照它们之间的相互作用划分,可以将粒子分为轻子、介子、重子,引粒子、强子和胶子等,可见以前的划分是多么简单,现在这些繁琐的分类简直让我感觉像是在看欧洲国家的首都一样,然而一切似乎都表明,这种暗物质与科学家认知中的普通物质迥然不同,现在世界各地的研究人员都在忙着设计实验来检测这种几乎不与任何物质相互作用的物质,比如说大质量弱相互作用粒子WIMP,只通过弱核力和引力产生相互作用,虽然目前这种粒子仍然停留在理论阶段,但是如果它们存在的话,数量应该会是十分的庞大,以至于产生能够观测到的这种效应,每秒钟都会有10 ^23个WIMP穿过你的身体。还有另外一种可能,那就是暗物质的组成是轴子,这种质量非常小的粒子不带电荷是一种稀有的光子,肘子和光子被认为可以相互转化,毫无疑问实验正在变得越来越清晰,有些人认为在未来的十年可能会找到真正能解决问题的实验方案。

就像暗物质的情况一样,许多物理学理论的诞生都是为了阐述已有理论无法解释的新现象,尽管知道许多年后这些理论的正确性才能被证明,希格斯玻色子概念的提出便是这样,这是一个关于基本粒子的理论,早在1964年,彼得·希格斯便尝试用希格斯玻色子来研究物质拥有质量的根本原因,并且解释质量同加速度之间的负相关,当物体的质量越大就越难使它运动或者静止,多年来其格斯玻色子的存在一直停留在理论层面,这位杰出的物理学家直至退休都没有看到自己的理论被证实,将近50年后他以前的学生在希格斯家中将希格斯玻色子成功的发现的消息告诉了他,它们喜极而泣的视频,可以说是与科学有关的最感人的画面了,希格斯玻色子构成了希格斯场,希格斯玻色子不具有自旋,不带电荷也没有颜色,极其不稳定且分解的很快,半衰期大约是每秒1万亿次,它出现在大爆炸的1/10000秒后,在物质存在前便已经存在并将继续存在于宇宙中。2013年3月14日在无数次的研究后,欧洲核子研究组织的大型强子对撞机ATLAS和CMS证实了希格斯的理论,这也让希格斯和弗朗索瓦·恩格勒一起获得了诺贝尔物理学奖。

1993年诺贝尔奖得主利昂·马克思·莱德曼和迪克·特莱西合作了一本有趣的书,讲述了自古代以来基本粒子科学的历史并给书起名为《上帝粒子》,如果宇宙是答案,那么问题是什么?媒体被上帝粒子这个名字吸引住了,并且选择沿用这一绰号来称呼它,尽管希格斯玻色子本身并无任何神圣之处,希格斯本人很不喜欢这样宗教化的处理,后来莱德曼师徒道歉并向媒体保证这本书畅销书的原名本来是《该死的粒子》。

黄媂结语·暗物质究竟是什么

尽管我们不知道暗物质究竟是什么,但它在物理学中具有根本的重要性,在构建宇宙模型研究星系的形成演化和运动以及宇宙本身时都应考虑暗物质的存在,人们常说暗物质主宰着宇宙,但它同时也是尚未解释的科学前沿之一,或许我们永远无法发现一切,因为宇宙中总会有隐藏起来的一面,在同科学的抗争中,科学家永不屈服,继续探索自然揭开它最后的黑暗秘密。

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我是【黄媂】,【科普新星培训营】95后女学员,今日头条青云计划精选文章获奖者。创作有关(天体生物学领域.太空生物学领域.科学.科技.科研.科普)的文章,欢迎点赞.评论.转发.关注互相学习。

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Isabel一条小小鱼:转发了

小一轻:人类局限于观察手段,局限于自身

用户6717927875:世界上大把专家!

上善若水吴大河:图片评论

cool88I8:其实没有物质。都是梦幻泡影。

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