【科讯】暗物质和暗能量之谜

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暗物质和暗能量是世纪之谜

21世纪初科学最大的谜团是暗物质和暗能量。 他们的存在挑战了全世界的年轻科学家。 暗物质存在于人类知道的物质之外，人们现在知道它的存在，但不知道它是什么，其构成也和人类知道的物质不同。 在宇宙中暗物质的能量是人类已知物质能量的五倍多。

暗能量更奇怪，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，这种差异转化为巨大的能量。 暗能量可以使物质的质量全部消失，完全变成能量。 宇宙的暗能量是已知物质能量的14倍多。

宇宙之外可能有很多宇宙。

围绕暗物质和暗能量，李政道说他最近发表了复制讨论的观点。 他指出“天外有空”，指出“由于暗能量，我们宇宙之外可能有很多宇宙”“我们的宇宙正在加速膨胀”“原子能也许可以和宇宙的暗能量发生相变”。

暗物质是谁第一个发现的？

1915年，爱因斯坦根据相对论推论宇宙的形状取决于宇宙的质量。 他认为宇宙是有限的和封闭的。 那样的话，宇宙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，至今为止能够观测到的宇宙的密度比这个值小100倍。 也就是说，宇宙中的很多物质都“失踪”，科学家把这种“失踪”的物质称为“暗物质”。

一点星体进化到一定阶段，温度变低，不能再输出可观测的电磁信号，不能直接观测了，这样的星体表现为暗物质。 这样的暗物质可以称为重子物质的暗物质。

另一种暗物质是其构成成分带有中性的静止质量的稳定粒子。 由这种粒子构成的恒星和星际物质不会释放或吸收电磁信号。 这样的暗物质可以称为非重子物质的暗物质。

abell 2390星系团(上半部分图)和ms2137.3-2353星系团(下半部分图)距离我们约20亿光年。 上面右半部分的图像是哈勃宇宙望远镜拍摄的假彩色照片，对应的左半部分图像是钱德拉x射线观测所拍摄的x射线图像。 哈勃望远镜的影像中可以看到很多星系，但x射线图像中无处不在。 温度有几百万度，可以看到放射x射线的热星系团的云。 不仅是表面上的差异，这些观测还包含着更大的谜团呢。 因为如果右边图像的银河总质量加上左边云气的质量，产生的重力不足以把这种热云气乖乖地留在星系团里。 实际上无论怎么计算，这些质量都只是“必要质量”的13%！ 在右哈勃望远镜的深度影像中，重力透镜效果影像也指出了制作这些幻象所必需的品质，比哈勃望远镜和钱德拉观测所直接看到的要大。 天文学家认为星系团内的大部分物质都是这些灵敏的宇宙望远镜看不见的“暗物质”。

1930年初，瑞士天文学家兹威奇发表了惊人的结果:星系团中能看到的银河是总质量的1/300以下，不能看到99%以上的质量。 但是，很多人不相信兹威奇的结果。 到1978年出现了第一个令人信服的证据。 这是测量物体绕银河旋转的速度。 我们知道人造卫星运行的速度和高度可以测量地球的总质量。 根据地球绕太阳运转的速度和地球与太阳之间的距离，可以测量太阳的总质量。 同样，根据物体(恒星或气团)绕银河旋转的速度和该物体离银河中心的距离，可以推定银河范围内的总质量。 这样计算的结果表明，银河的总质量远远大于银河中可见恒星的质量总和。 结论好像有银河看不见的暗物质。 那么暗物质有多少呢？ 据估计，暗物质占宇宙物质总量的20—30%是合适的。

根据天文学的观测，宇宙中有很多暗物质，特别是存在大量非重子物质的暗物质。 根据天文学的观测，在宇宙的总质量中，重子物质约占2%。 也就是说，在宇宙中可以观测到的各种星际物质、恒星、星团、星云、恒星、银河等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质没有直接观测到。 在宇宙非重子物质的暗物质中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。

标准模型给出的62种粒子中，只有12种可以稳定独立存在的粒子，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和重力子。 这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子带电，不是暗物质粒子，光子和重力子的静止质量为零，也不是暗物质粒子。 因此，在标准模型中给出的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，美国天文学家艾伦森发现，在30万光年外的天龙座矮星系中，多个碳星(巨大的红星)周围存在稳定的暗物质。 也就是说，这些暗物质受到了严格的束缚。 高能热粒子和能量适度的暖粒子很难被束缚，它们到处乱跑，只有运行缓慢的“冷粒子”被束缚。 物理学家认为它是“轴心”。 那是非常稳定的冰冷的“微粒子”，质量只有电子质量的几百万分之一。 这就是暗物质的轴子模型

轴子模型是否成立，最终由实验决定。 最近，暗物质是被称为“宇宙弦”的弦状物质，大爆炸后1秒钟发生，直径为1兆亿分之一厘米，质量密度惊人，有人建议每英寸约1亿亿吨。 这个理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。

为了探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家在这个行业工作，相信揭开暗物质神秘面纱的日子不太远。

调查越来越多的未解决之谜