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第四节 暗物质
中国古代《庄子•天下篇》中有“一尺之锤，日取其半，万事不竭”的说法，这是一个无穷递缩等比数列，在数学上一尺之锤是无限可分的。如果在物理上一尺之锤也是无限可分的，当分到质子、中子和电子以后，在某一个层次，物质就一定看不见了。因为在某一个层次以后的物质，一不会发光，二不会反射和折射光，当然就是看不见的暗物质了。不过暗物质任然占有空间，任然会发生碰撞，任然有力的作用。尽管人们对物质是否无限可分还有争议，但不能认为凡是人不能做到的，大自然也做不到；凡是人们暂时没有发现的暗物质，大自然中也不存在。 于是我们就可以把既能看到又有力的作用的物质称为明物质，把看不到的但有力的作用的物质称为暗物质。凡是由原子构成的物质都是明物质，凡是比电子小的物质都是暗物质。 越来越多的事实证明，宇宙中存在着大量现在科学手段还探测不到的物质。“看不见的就不承认”，实际上是缺乏科学根据的。因为科学手段对事物认识有一定的局限性，没有暗物质的存在，对一些超常现象也就无法解释。 一些最新的研究表明，暗物质就象我们能观测到的常规物质一样，弥漫我们整个宇宙，遍布我们整个宇宙空间。 早在二十世纪三十年代，天文学家就发现，为了使宇宙中的星系团能够高速运动，并且不发生崩溃，它们所拥有的质量必须比科学家们实际所观测到的质量大得多。为了解释这一现象，天文学家提出了暗物质的理论。 暗物质是由一些微小的，并且不可见的基本粒子构成的。这些粒子与其它物质之间有非常弱的相互作用，它们自身有一定的质量，所以又被称作““弱相互作用有质量粒子”( WIMPS， weakly interacting massive particle )。天文学家们普遍相信星系团的主体是由这些探测不到，但又具有质量的暗物质构成的，这也就是为什么所探测到的质量，比星系团真正应该拥有的质量小得多的原因。暗物质不仅仅存在于遥远的星系团中，而且弥漫在我们整个的生存空间。在二十世纪，科学家们估计暗物质的质量占整个宇宙的80%-95%之间，但精确的数字一直在争论之中。2001年9月6日，一个在英国剑桥大学的科研小组在美国华盛顿特区的新闻发布会上公布了他们的最新研究结果。 剑桥大学的天文学家们，利用美国航空航天局(NASA)设于大气层外宇宙空间的钱德勒X-射线观测站( Chandra X-ray Observatory )测量了五个分别在十五亿和四十亿光年以外的星系团的质量，并且将探测其结果与星系团应该具有的质量进行了比较。据小组负责人，斯蒂文•艾伦博士( Steven Allen )说，他们发现，星系团中所有恒星的质量，和此次所测量到的高温气体的质量的总和，只占星系团真正质量的百分之十三。艾伦博士说：“剩下的，必然是以暗物质的形式存在的。” 因为星系团是构成宇宙的主要部份，所以天文学家们认为，暗物质占整个宇宙的百分之八十七左右。正如美国密西根大学的研究人员，乔•伯格曼博士(Joel Bergman )所说，这项最新发现给人们提供了87%这个精确的数字，从而真正解决了长期以来争论不休的问题。 暗物质的存在给现代科学带来了挑战和契机。目前，现代科学主要建立在“实证”的基础上。实证科学要求在“相同”的条件下所做的实验应该得到相同的结果，否则得到的实验结果科学往往不予承认。但是要实现“实证”所要求的“相同”条件，就要求实验者对影响实验的各种因素事先有充分的了解，这对于一些复杂的系统几乎是不可能的。宇宙中有大约87%的物质我们根本无法探测，试想如果有些实验的结果受这些暗物质的制约，而我们对这些制约一无所知，那么我们怎么去实现这个“相同”条件？我们怎么能苛求每次的实验都能得到相同的结果？这也许就是科学界长期以来对一些“超自然”现象显得一筹莫展的原因。如果科学家们能够放下固有的观念和偏见，对这些现象不是一概否认，而是认真探索造成这种不能100%重复背后的原因，也许现代科学就能前进一大步。 新世纪之初，美国国家研究委员会由19位权威物理学家和天文学家联合执笔，发布题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的报告。科学家们在报告中认为，暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重点中之重点。“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”也在所列出的11个大问题中分列为第一位和第二位。 几十年前，暗物质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。有人认为，暗物质的总质量是普通物质的6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。尽管暗物质的本质现在还不清楚，但这并不影响到它的存在。 在天文学上，人们根据质量和光度的比值测量出的质量，总比根据星系周围的物质转动曲线、双星系的万有引力和动力学平衡条件等力学的方法得出的质量要小得多。因此，一定存在着大量有力学效果而不发光的暗物质。也就是说，宇宙大尺度范围内存在暗物质，这是一个普遍的规律。有人通过具体计算表明，银河系的总质量至少比光学区的质量大10倍，即银河系的质量中至少有90%是属于暗物质。 李政道教授说:暗物质的存在有什么根据呢？我们随便看一个星系，它的直径大约为20千秒差距。星系周边的恒星、灰尘或者气体云，都以某一线速度作圆周运动，其离心力是 F离 = mv2/r r是物体离中心的距离。 星云的万有引力 F引 = GmM/r2 式中G引力常数，M为星云的质量。星云的万有引力应跟离心力相平衡，等式两边消去m，于是有 GM/r2 = v2/r 等式左边是重力加速度,右边是圆周运动的向心加速度。简化并变形得 v2= GM/r 由于引力常数G和星云质量M都是常数，由以上公式可以看出，恒星线速度v的平方和星体离星云中心的距离r成反比。于是，星体离星云中心越远，其线速度就越小。如果测出了r和星体的速度v，就可以算出在这个星云的物质M。 以星系NGC3192为例，它的发光区域长约15千秒差距，但是到距离中心30千秒差距处恒星的线速度反而比15千秒差距处的还要大，这表示星系NGC3192中除了有看得见的物质外还有看不见的物质。 看得见的物质可用电磁波、红外光进行测量。看不见的暗物质不发光，也不反射光，但它可产生万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度并不随距离的增大而减少。 这种现象不是个别的，所有测量过的967个星系都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里都有暗物质。 大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹•扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中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%的暗物质已被广为接受了。有人认为，普通发光物质占了宇宙总质量的0.4%，其他的普通物质占了3.7%，暗物质占了近23%，另外的73%是暗能量。 本世纪30年代，瑞士天文学家兹威基用两种和法测量了星系团的质量。一种是光度方法，即通过测量星系团中星系的光度，根据光度和质量关系，推出星系的质量，然后将各个星系的质量加在一起，得出整个星系的团的质量。另一种方法是动力学方法，即测量各个星系之间的相对运动速度，由此推知星系团的总质量。结果发现，用这两种方法得出的质量差别极大。拿后发星系团来说，动力学质量要比光度质量大400倍。这个结果只能解释为：后发星系团的主要质量并不是由可视的星系贡献的，而是由其中大量的暗物质提供的。用光度方法只能测出发光区的质量。因此含有大量暗物质的不发光区的光度质量，自然会比动力学质量小得多。兹威威基把光度方法测不到的质量称为“下落不明的质量”。 但是直到70年代，一些相当有影响的天文学家仍然相信星系是宇宙中的主要成分，认为下落不明的质量根本不存在，质量并没有短缺。1987年，通过星系的转动曲线证明了暗物质的存在，在这一事实面前，这些天文学家开始慎重考虑暗物质问题。 此后，天文观测又发现许多能证明暗物质存在的证据。譬如，我们附近的恒星运动反映出银盘里的物质的引力影响，比我们发现的恒星和气体物质的引力影响大50%。射电天文学、红外天文学、紫外天文学和X射线天文学的发展，允许我们探测不同温度的气体，计数光度只及太阳十万分之一甚至更暗的单颗恒星，尽管如此，银河系的密度仍和天文学家经理论计算所预期的相差甚远。 暗物质的存在会严重威胁到广义相对论，爱因斯坦在创立广义相对论时，显然是没有考虑到这些暗物质的，作为一个精密的理论，是没有理由不预见到这么多暗物质的。 人们凭自己的感觉总认为有一种什么东西也没有的“真空”存在，这种认识是片面性的。因为人们能看到的物质层次是非常有限的，而看不到的物质层次是无限的，“真空”中存在着大量的暗物质，只是人们无法感觉到罢了。因此，真空不过是一种表观现象，真空不空。 ——————————————————————————————————— 《物理学的新大陆》一书着力描述物理学的三块大陆，两块分别叫做“物质”和“运动”的古大陆和一块叫做“碰撞”的新大陆。物理学的所有内容都可以用“物质”、 “运动”和“碰撞”这六个字来概括。 自然界是由物质所组成。物质可以在虚空中运动。运动到一起的物质之间会发生相互碰撞，从而产生新的运动或新的物质。物质不灭，动量和能量守恒，碰撞是物质间唯一的相互作用。 |