题目

关于暗物质与暗能量
据我所知,两者只存在引力效应,并不存在其他效应(比如电磁波相关).那么,会不会是当前的引力理论的缺陷所造成的假象呢?就像当年的ether一样?

提问时间：2021-03-13

答案

21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量.它们的存在,向全世界年轻的科学家提出了挑战.暗物质存在于人类已知的物质之外,人们目前知道它的存在,但不知道它是什么,它的构成也和人类已知的物质不同.在宇宙中,暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上.
暗能量更是奇怪,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,这个差异转化成了巨大的能量.暗能量却可以使物质的质量全部消失,完全转化为能量.宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上.
宇宙之外可能有很多宇宙
围绕暗物质和暗能量,李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点.他提出“天外有天”,指出“因为暗能量,我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”,“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”.
暗物质是谁最先发现的呢?
1915年,爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少.他认为,宇宙是有限封闭的.如果是这样,宇宙中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,迄今可观测到的宇宙的密度,却比这个值小100倍.也就是说,宇宙中的大多数物质“失踪”了,科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”.
一些星体演化到一定阶段,温度降得很低,已经不能再输出任何可以观测的电磁信号,不可能被直接观测到,这样的星体就会表现为暗物质.这类暗物质可以称为重子物质的暗物质.
还有另一类暗物质,它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子.这类粒子组成的星体或星际物质,不会放出或吸收电磁信号.这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质.
在重力透镜效应下观测到的暗物质
Abell 2390星系团(上半图)和MS2137.3-2353星系团(下半图),距离我们约有20亿光年远.上图右半方的影像,是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片,而相对应的左半方影像,是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像.虽然哈勃望远镜的影像中,可以看到数量众多的星系,但在X射线影像里,这些星系的踪影却无处可寻,只见到一团温度有数百万度,而且会辐射出X射线的炽热星系团云气.除了表面上的差异外,这些观测其实还含有更重大的谜团呢.因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量,它们所产生的重力,并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内.事实上再怎么细算,这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已!在右方哈伯望远镜的深场影像里,重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量,大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的.天文学家认为,星系团内大部分的物质,是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”.
1930年初,瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的.不过,兹威基的结果许多人并不相信.直到1978年才出现第一个令人信服的证据,这就是测量物体围绕星系转动的速度.我们知道,根据人造卫星运行的速度和高度,就可以测出地球的总质量.根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离,就可以测出太阳的总质量.同理,根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离,就可以估算出星系范围内的总质量.这样计算的结果发现,星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和.结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质.那么,暗物质有多少呢?根据推算,暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适.
天文学的观测表明,宇宙中有大量的暗物质,特别是存在大量的非重子物质的暗物质.据天文学观测估计,宇宙的总质量中,重子物质约占2%,也就是说,宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%,98%的物质还没有被直接观测到.在宇宙中非重子物质的暗物质当中,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,能够稳定地独立存在的粒子只有12种,它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子.这12种稳定粒子中,电子、正电子、质子、反质子是带电的,不能是暗物质粒子,光子和引力子的静止质量是零,也不能是暗物质粒子.因此,在标准模型给出的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年代初期,美国天文学家艾伦森发现,距我们30万光年的天龙座矮星系中,许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质,即这些暗物质受到严格的束缚.高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的,它们会到处乱窜,只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住.物理学家认为那是“轴子”,它是一种非常稳定的冷“微子,质量只有电子质量的数百万分之一.这就是暗物质的轴子模型.
轴子模型是否成立,最终得由实验裁决.最近,还有人提出,暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质,它产生于大爆炸后的一秒期间内,直径为1万亿亿亿分之一厘米,质量密度大得惊人,每寸长约1亿亿吨.这种理论是否成立,同样有待科学家进一步研究.
为探索暗物质的秘密,世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作,相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了.