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從“暗體”到“暗物質”

2017-12-07 10:22 來源:光明日報

  我們首先要明確一點:到目前為止,物理學家和天文學家根據觀測事實和理論推測,構建出各種各樣的宇宙模型,其中最成功的是大爆炸宇宙模型,宇宙在加速膨脹也是公認的事實。而暗物質是基於現有引力理論的一種假想物質,暗能量是基於現有宇宙模型的一種假想能量。

  暗物質和暗能量的存在能夠解釋一系列令人困擾的天文觀測現象,也能在現有理論模型下能夠很好地解釋宇宙的演化和存在,可是還沒有實驗能夠直接探測到暗物質和暗能量併為它們的存在進行決定性地描述。但是,很多新的觀測現象都指向同一個事實:暗物質和暗能量是真實存在的。

  今天,我們來説説暗物質理論的沿革。一直以來,物理學對於物質本質的描述,朝著兩個極限不斷前進。一個是微觀極限,現在已經深入到原子核內部;另外一個是宏觀極限,現在已經擴展到整個宇宙。從微觀上講,標準模型能夠解釋到目前為止發現的大部分粒子,標準模型也是基於地球上的物質、對撞機産生的粒子以及宇宙射線而構建的;但是當人類將探索的觸角伸向浩瀚無垠的宇宙的時候,發現了一些令人費解的現象。

  早在19世紀末20世紀初,開爾文勳爵(即威廉湯姆森,著名的“物理學天空的兩朵烏雲”的論斷的提出者,也是熱力學溫標的發明人)在計算銀河系的恒星品質時就提出,銀河系中的大多數星體或許都是“暗體”(dark bodies)。

  1906年,亨利龐加萊(早期翻譯作品多譯作昂利彭加勒,是法國著名的數學和物理學家,著名的“龐加萊猜想”提出者)在討論開爾文勳爵的工作時,在《銀河系和氣體理論》一文中首次使用暗物質(dark matter)這一詞彙。

  20世紀30年代到70年代間,不少科學家在觀測不同星系時發現引力品質比星系的光度品質大的多。自此,科學家指出宇宙間存在大量看不見的物質——如果只有可見物質參與引力相互作用,那麼從星系中心到旋臂,隨著半徑的增大,旋轉的速度會越來越低。根據天體物理的理論,這樣會導致星系的不穩定。我們通過中學物理學過的引力圓周運動公式,也可以簡單地得到這一結論。

  但實際觀測表明,穩定星系旋臂的轉動速度隨著半徑增大,呈現出一個恒定速度,這樣才會使星系保持穩定。而這個現象也説明,星系的大部分品質並不是集中在星系中心,而是有許多看不見的“暗物質”分佈在整個星系,可見物質只是星系品質的一小部分。

  我們知道,物理學發展至今,雖然理論物理已經可以完全獨立發展,但理論正確與否,最終要經過可靠實驗的檢驗,理論和實驗相輔相成。暗物質的提出,雖然只是來源於科學家們的頭腦風暴和數學計算,但是對於人類認識宇宙有著重要意義。至於理論最終會得到證實還是被推翻,還是要靠具體的實驗探測來説話。

  (本文由科普中國融合創作提供)

(責任編輯:王蔚)

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