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第六章 万有引力弄错了方向力弦粒子第一节 万有引力不是宇宙的决定力量（第1页）

第六章：万有引力弄错了方向，力弦粒子第一节：万有引力不是宇宙的决定力量

暗物质与暗能量主导了宇宙

暗物质：在宇宙中暗物质占23%，是普通物质的五倍以上，暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。目前，人们只能间接通过引力弯曲光线或其他引力效应证明宇宙中有大量暗物质的存在。最早科学家发现大型星系团中的星系具有极高的运动速度，要求星系团的质量是观测到的恒星数量值的100倍以上，否则该星系团根本无法束缚住这些星系，因此引入暗物质概念。

科学家通过引力透镜、宇宙中大尺度结构天体形成、微波背景辐射等验证暗物质的存在。研究表明：我们目前所熟知的物质大概只占宇宙的4%。普通的物质总是能与光或者波发生相互作用，并且在一定的条件下自身也能发光或者折射光线，这些现象人们可以感知或借助仪器测量。但暗物质恰恰相反，它根本不与光发生任何作用，更不会发光。因为暗物质既不反射、折散、散射光，也不发光，所以对各种波和光来说暗物质都是百分之百的透明体！所以在天文学上，用传统的手段绝对看不到暗物质，不管是电磁波、无线电还是红外射线、伽马射线、X射线统统都毫无用处，它们既不能被人们所感觉，也不能被仪器所观测。科学家们为了使其与普通物质区别开来，就将这种特殊的物质称之为“暗物质”。

目前科学家认为，跟普通物质一样暗物质具有引力，几十亿颗恒星正是在它们的帮助下聚集到星系里。但是这种物质很难与普通物质发生互动，人们看不到它。中微子是唯一一种曾在实验室里发现的暗物质粒子，但是它们几乎是零质量，而且在暗物质的宇宙能量部分仅占很小比例。研究人员认为在距离银河系中心10万至30万光年区间内存在神秘的暗物质结构，银河系总质量中绝大部分由这些暗物质构成。根据当前的暗物质模型，银河系外围的暗物质分布可能扩展至100万光年的跨度，而银河系的直径为10万光年左右。

一般暗物质像银河系的星系晕一样，笼罩在星系周围。像银河系这样的星系，如果没有暗物质帮助，星系吸引力很难聚合在一起，因为目前星系的吸引力不能保证恒星像现在一样地高速自转。

来自苏黎世大学、苏黎世联邦理工学院以及英国莱斯特大学的天文学家们进行了一项最新研究，现在他们有99%的把握确定太阳被暗物质包围。

荷兰的科学家简·奥尔特（JanOort）发现靠近太阳附近的物质密度几乎是普通星系或星系团的两倍，从而解释了恒星和气体在宇宙中单独存在的现象。在最新研究中，物理学家发明了一种新的暗物质计算方法，并将其应用于靠近太阳的数千颗K型主序星速度与位置的计算上，获得了关于太阳附近存在暗物质的线索。主导此次研究的天文学家西尔维娅·加拉布拉里表示：“我们对计算结果非常有信心，可以99%地确认在太阳附近存在暗物质。事实上，我们认为暗物质的密度有些偏高，但其中也存在10%的统计偏差，也就是说我们用九成的把握找到了比预期更多的暗物质，如果将来的数据进一步证实这个发现，将十分令人振奋。”参与研究的另一位科学家乔治·雷克认为对太阳系暗物质密度进行准确测量计算是至关重要的。如果暗物质是一种新的基本粒子，那么在几分钟内至少就有数十亿的暗物质粒子穿过人体。

2009年8月19日，一个国际研究小组取得一项突破性发现，瑞士苏黎世大学与英国中兰开夏大学天文学家们运用超级计算机的模拟推演，银河系中存在一个盘形暗物质。

在银河系的范围内，所有的暗物质似乎都存在于暗物质晕当中。暗物质晕内的密度本应是宇宙平均密度的几百倍，但新发现的盘形暗物质却只占暗物质晕密度的一半。

暗物质与暗能量才是宇宙的决定性力量，万有引力只是其中一个表现而已。对于天文学家来说，不了解暗物质的性质，就永远不能说已了解宇宙。

暗物质中微子和黑洞是潜在的暗物质候选者，它们的总量对于暗物质的贡献是非常微小的。

来源于天文台2010年5月的一篇文章《天文物理学家首次发现宇宙暗物质分布的形状》报道显示，国外的一些科学家经过对暗物质的观察及研究发现：暗物质在这些星系团的分布，平均来说暗物质的分布呈现出非常扁平的形状，而非简单的球形轮廓。该扁平化程度相当大，其椭圆形的长轴与短轴比例相当于2：1。

在另一项研究中，根据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子（主要指中子，质子等）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%。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。

2011年升空的、造价20亿美元的的阿尔法磁谱仪，在2013年向地球发送回首批观测数据。项目负责人华裔科学家丁肇中教授称，在阿尔法磁谱仪运行的最初18个月中，已经探测了250亿次粒子事件。在这些粒子事件中，有近80亿次是快速运动的电子及与其对应的反物质——正电子。理论上，大质量弱相互作用粒子（简称WIMP）的碰撞和湮灭会产生大量电子和正电子。通过测定二者的比例，以及在能量谱上的行为变化，科学家或许能找到研究暗物质问题的途径。丁肇中称，将把涉及暗物质的研究论文后续发表出来。

在宇宙中，宇宙拥有暗物质丝状的结构把各种星系连接在一起。有理论提出，大质量弱相互作用粒子（简称WIMP）是暗物质最有希望的候选者，这是一种尚处于理论阶段的粒子。虽然天文望远镜无法探测到大质量弱相互作用粒子，但阿尔法磁谱仪很有希望通过间接的方法来确认其存在，并描述它的性质。有的物理学理论认为暗物质是由大质量弱相互作用粒子（WIMPS）——一种是自身反物质粒子的粒子——组成的。当物质和反物质相遇时，它们会相互湮灭。因此，如果两个WIMPs碰撞，它们会被毁灭并在此过程中释放出一对子粒子——一个电子和它的反物质正电子。如果实验检测到在某能量处存在大量正电子，这或可能暗示着检测到了暗物质，因为电子在宇宙中无处不在，但已知的天体物理学过程很少会产生正电子。

阿尔法磁谱仪是安装于ISS上的一个粒子探测器，其设计的目的是用于探索太空中的暗物质和反物质，能收集伴随宇宙射线的电子、正电子、反质子等特殊粒子。根据芝加哥大学宇宙物理学卡弗里研究所迈克尔·特纳介绍：“我们要找的是正电子和电子的比率关系，科学家认为这其中隐藏着关于暗物质湮灭以及暗晕密度的信息。”

“发现暗物质存在的确凿证据是观测到正电子的数量骤升，然后迅速锐减。”这是因为暗物质湮灭产生的正电子具有特定的能量，而后者取决于组成暗物质的WIMPs的质量。美国芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳（Mier）认为：“这便是探测到暗物质存在时会出现的关键特征。

在对正负电子的观测中，如果发现二者比例突然上升然后急剧下降，那就是星系中暗物质湮灭的关键标志。在能量体系中也要考虑，是否具有各向异性？正电子是从固定的某个方向还是从所有方向出现？”特纳教授并未参与阿尔法磁谱仪的合作项目。他继续说道：“暗物质应该无所不在。因此如果我们发现正电子从某个特定的方向发出，就意味着该信号是来自像脉冲星（一种中子星）一类的天体，而不是暗物质。”据悉，此次阿尔法磁谱仪的数据涉及的是0。5至350GeV（10亿电子伏特）质量范围内的正电子—电子比例。这一范围已经是其他实验中，被科学家认为的可能发现暗物质的上限。特纳教授说，科学家已经逐渐接近了目标。他预测未来数年将会被铭记为“大质量弱相互作用粒子（WIMP）的十年”，而且通过一系列的研究，包括利用大型强子对撞机制造WIMP等，暗物质的性质将逐渐呈现在我们面前。

“理论上，这种粒子的质量大约在质子质量的30、40和300倍之间，即在30至大约1000GeV之间”特纳教授说：“大型强子对撞机能够制造这样质量的粒子，丁肇中的阿尔法磁谱仪能探测到这样质量的粒子湮灭，而位于深地底的探测器对这样质量的粒子也非常敏感。如果非常幸运的话，我们能同时获得有关暗物质的三个特征信号，分别是通过观测粒子湮灭、直接探测粒子以及用大型强子对撞机制造粒子，这三种方法在同样的质量范围内都很灵敏。”

暗能量

暗能量它是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量与万有引力来作用的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因为它在宇宙的结构中约占73%，占绝对统治地位。暗能量是宇宙学研究的一个里程碑意义的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个：一个是对遥远的超新星所进行的大量观测表明宇宙在加速膨胀；另一个是按照爱因斯坦引力方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的“暗能量”。

通过对遥远的超新星红移的观测以及对宇宙微波背景辐射的测量显示，我们宇宙的演化过程在很大程度上受宇宙常数值的影响，而正是宇宙常数值决定了现在宇宙的加速膨胀。换句话说，宇宙的加速膨胀是由具有非通常意义下，状态方程的某种能量形式决定的，这种能量被称作暗能量，其本性也仍然不为所知。

宇宙大爆炸认为，正是暗能量促使宇宙继续加速膨胀，抵抗星系之间万有引力的收缩，暗能量具有如此大的力量是因为它在宇宙的结构中约占73%。有人认为暗能量是一种真空力，这种“真空力”可能成为独立于万有引力、电磁力、强力和弱力之后在自然界中普遍存在着的第五种自然作用力即“第五种力”。

宇宙暗能量基本特征是具有负压（由里向外），在宇宙空间中几乎均匀分布，完全不结团。对于通常的能量（热辐射）、重子和冷暗物质来说压强都是正的，就是说物质的万有引力是互相吸引的，比如使地球与月球、太阳与地球、两个星系等之间的互相吸引。而暗能量是排斥的，它们把两个星系推开，使宇宙加速膨胀，所以人们认为存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。“暗能量”相比较暗物质更是充满戏剧性与怪异性，因为它只有物质的作用效应而不具备物质的特征，也不会产生像暗物质那种那种使光弯曲的现象，所以都称不上物质，故将其称之为“暗能量”。“暗能量”虽然也不被人们所感觉也不被目前各种仪器所观测，但人们凭借理性思维可以预测并感知到它的确存在。

暗能量无处不在。暗能量与物质不同，它是均匀分布的，不会像暗物质那样聚集在星系外围，或者像物质形成的星体及粒子那样在某个地方聚集成团。暗能量几乎无处不在，不论是在你身体、汽车、还是在饮食里、还是在星际空间，暗能量的密度都完全一样。暗能量对于太阳系的影响几乎很少，只有在巨大的空间尺度和时间跨度上，才能体现出暗能量的影响力。

从天文学观测得到的宇宙膨胀速率可以进一步估算出宇宙中存在的物质总量，不过有关宇宙中物质的本性还是一个有待解决的问题。现在估计宇宙中大约有90%以上的物质都属于暗物质、暗能量。除了暗物质参与引力互相作用外，都不参与电磁相互作用，它们无法（通过电磁波）直接观测到。目前在已知的粒子物理或其他什么理论的框架中还没有办法对这种物质做出令人满意的解释。但有些科学家认为宇宙加速膨胀是一种错觉，是地球与宇宙其余部分相对运动所导致的；另一些研究人员则认为比起宇宙暗能量的未知性，我们对引力之谜的认识缺陷更可能是宇宙加速膨胀之谜未被揭开的主要因素。