暗物质问题

3、暗物质问题《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：２８．宇宙中的暗物质是由什么粒子构成的？“我们至今所能达到的最远的距离为1.5亿光年，但在这个距离内我们已经发现天体在分散着，好像是受了一种扩散力似的。我们暂时在这里这样结论，宇宙斥力已获得胜利，而支配着扩散。”——A·S·爱丁顿，1932年。在新世纪之初，美国国家研究委员会发布研究报告，列出了在新世纪需要解答的11个与宇宙有关的难题，并同时建议美国政府的研究机构加强协调，集中资源为这些难题寻找答案.这份题为《建立夸克与宇宙的联系：新世纪11大科学问题》的报告，是由19位权威物理学家和天文学家联合执笔.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中之重.“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”，在报告所列出的11个大问题中分列为第一位和第二位。2005年10月24日下午，著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者李政道来到清华大学大礼堂，参加纪念中国博士后流动站成立二十周年清华大学庆祝活动，并在会上发表演讲，向与会的千余名博士后阐述他对20、21世纪科学最大的谜的见解，暗物质和暗能量是世纪谜题。李政道在演讲中指出，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。李政道在《科技导报》2005年第5期上发表的专稿《在我的祖国纪念Einstein》，其中关于能量，有以下四段话：“我们人类能感知到的常规物质的能量（也就是已了解部分的宇宙），只占整个宇宙能量的5%或者更小些，其它95%的能量都不是由我们现在所知的物质构成的。”“我们宇宙中的能量大多数是暗物质和暗能量，既看不见，也不知道是什么东西。暗物质对所有我们能测量的光、电场、磁场、强作用（核的能力场）都不起任何作用，可是，暗物质有引力场（地心吸力就是引力场）。通过引力场我们知道有暗物质存在，而且，暗物质的总能量比我们这类物质的总能量要大了5倍，或5倍以上。可是对暗物质的其它性质，我们完全不知道！”“暗能量的性质更是奇怪，它能产生一种负的压力。Einstein在20世纪早期就曾假设过负压力这种性质的存在。后来，因为没有实验的支持，Einstein就放弃了这一个方向。在裂变和聚变反应中，反应前后物质的质量有少量的差异。按照Einstein的著名质能公式E=mc2，这些少量的质量差异能够转化为巨大的能量。而暗能量可以将物质质量全部消失，完全转化为能量！”“最近几年，通过哈勃太空望远镜，我们发现，我们的宇宙不仅是在膨胀而且是在加速地膨胀。从它膨胀的加速度可以推算出，它是由于一种负压力也就是暗能量的存在才膨胀的。而这暗能量的总量占据全宇宙能量的70%。”麦克斯韦在1879年即将逝世时强调写道：“在形成一个前后不出现矛盾的以太结构的问题上，不论我们有多大的困难，而行星际之间和星际之间决不是空无所有的，而是被我们所不大了解的而且可能是最均匀的无疑是最大量的物体或物质实体所占据。”宇宙中普遍存在着“暗物质”（目前未能科学证实的物质存在形式），有三点确认的证据：一是可观察宇宙具有确认的扁平体结构，这是宇宙背景辐射探测器和威尔金森各向异性探测器一致得到的观察结论。既然是扁平体的宇宙结构，就必然有相应的宇宙总质量密度。二是得到天文观察证明的星系或星系团的运动学质量值，这些我们已知的物质量，充其量只能满足这个扁平体结构所需要的总质量密度的4%。三是螺旋星系内部空间的运动学效应，例如要保持太阳目前在银河系中的运动速度（每秒220千米），如果需要太阳所在位置的质量为1个单位的话，太阳实际的质量只占2.6%，97.4%的质量真还不知道藏在什么地方。问题的严重性只需要用一句话就可以概括了；如果20世纪的科学理论只能让世人面对4%（或2.6%）可看得见的物理学天空（现有科学理论适用的范围），问题该有多么严重。由于真空的特殊地位，李政道等许多理论物理学家都认为：现代物理的疑难可能都与真空有关。李政道教授说:暗物质的存在有什么根据呢？现在我重点讲一下。我们随便看一个星系，它的直径大约为20千秒差距（Kiloparsec）。在星系的周边，随便哪个星，哪个灰尘或者气体云，都各以某一速度运动，离心力是速度的平方除以那一物体离中心的距离r，这个离心力应跟引力相平衡，引力是牛顿常数跟星云里的质量相乘，除以r的平方(即公式rVrGM22,等式左边是重力加速度,右边是圆周运动的向心加速度,李政道教授在这里说的离心力,是因为物体在作圆周运动时,向心力与离心力的大小是相等的.).所以如果你已知某个星体离星云中心的距离r，我们测量这个星体的速度V,就可以算出在这个星云里面有多少物质存在。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30千伯色处，星的速度还在增加，这表示除了看得见的物质外还有绝大多数是看不见的物质。看得见是什么意思呢？除了眼睛看得见，也包括用电磁波、红外光可以测量。看不见的暗物质不放可见光、红外光或电磁波，但它也有万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度不随距离的增大而减少。这种现象不是个别的，对所有测量过的967个星系，所有测量结果都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里面绝大多数的物质都是暗物质.(引自李政道.《物理学的挑战》。【1】从20世纪70年代开始发现，在螺旋星系的外面区域观测到的恒星旋转速度和从星系的可见恒星分布按牛顿定律预见的公转速度之间存在偏差，天文学家认为存在着更多的物质不能被观察，称为暗物质。80年代以前，天文学家认为暗物质与普通物质没有任何区别，然而星系形成的现代研究使宇宙学家相信暗物质中的可以观测到的部分必须具有和普通物质不同的形式，例如轴子、中微子等，现代基本粒子理论预言WIMPS粒子，但在实验上并没有被观测到。看不见的暗物质不放可见光、红外光或电磁波，但它也有万有引力。由于暗物质的存在，远离星系中心的物质的速度不随距离的增大而减少。这种现象不是个别的，对所有测量过的967个星系，所有测量结果都是这样的，没有一个例外。就是说所有的星系里面绝大多数的物质都是暗物质.中国科学院何祚庥院士认为，宇宙中是否除质子、中子，电子等“会”发光的物质以外，还存在着在原则上就不会发光的物质，或者说宇宙中是否存在占95%以上的暗物质和暗能量亦即透明物质的问题，这是当前宇宙论研究中一个重大的热点。其实，在宇宙学的领域，直到现在也还没有解决“何谓暗物质”？暗物质有两种形式：一是热暗物质；二是冷暗物质。热暗物质的最佳候选者是中微子。但中微子构成暗物质的前提，是三种中微子之中，至少有某一种中微子具有静止质量。至于冷暗物质，一般公认为带有超对称性质的中性重粒子。去年威尔金森微波背景各向异性探测器(WMAP)和斯隆数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了这一模型。这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就。WMAP的结果告诉我们，宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量,SDSS也给出类似的结果。从物质基本结构的观点出发，普通的物质，如树木、桌子以及我们人类本身，是由分子、原子构成。然而分子、原子不是最基本的，目前已知的最基本的粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的粒子（如光子，胶子等）。北京正负电子对撞机就是系统地研究其中的粲(charm)夸克和陶(tau)轻子。大量间接证据表明，宇宙中确实存在着暗物质。―种理论认为，暗物质是由弱相互作用大质量粒子（Wimp）构成的。计算机模拟显示，如果缺少了这部分物质，就无法构成现实的宇宙。但由于暗物质本身的特性，要直接找到它们极为困难。证实暗物质存在的最有效方法，就是找到弱相互作用大质量粒子。美国著名物理学家斯莫林最近写了一本新书《物理学的困惑》（中译本），他对弦论、暗物质和暗能量理论所持的批判态度，以及物理学需要第二个爱因斯坦的呼吁，是令人深思的。早在1943年英国物理学家阿瑟·米恩已经证明，利用牛顿引力理论可以很简单地导出弗里德曼方程，而弗里德曼方程就是现代标准宇宙学的基本方程。参考俞允强先生的《大爆炸宇宙学》第16页。现有宇宙学中许多结果，包括暗物质和暗能量的推论，以及宇宙学中所有的奇谈怪论，都是在弗里德曼方程基础上导出的。罗伯逊-沃克度规导致膨胀宇宙中天体发出光的运动速度满足伽利略相加规则，违背光速与光源运动状态无关这一现代物理学基本规则，破坏光速不变原理。因此罗伯逊—沃克度规描述的实际上是牛顿力学意义上的时空结构，不是现代物理学相对论意义上的时空结构。其次是用了静态能量动量张量。然而地球观察者与膨胀宇宙的物质之间存在相对运动速度，描述膨胀宇宙必须采用动态能量动量张量，不应当用静态的能量动量张量。如果采用满足相对论光速不变的度规和动态能量动量张量，在爱因斯坦引力场方程基础上就得不到现有的弗里德曼方程。参考文献：1李政道——科学的发展：从古代中国到现在.朱长超主编.《世界著名科学家演讲精粹》百花洲文艺出版社1995年3月第1版第3次印刷附录1:哈勃望远镜发现暗物质环跨度约有260万光年2007年05月16日13:07:12这张由哈勃太空望远镜拍摄的照片显示的是太空中一个跨度约为260万光年的暗物质环。美国宇航局15日报告说，一个天文学家小组利用哈勃太空望远镜探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质。天文学家们称，这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据。附录2:新华社/路透新华网华盛顿５月１５日电（记者张忠霞）美国宇航局１５日报告说，一个天文学家小组利用哈勃太空望远镜，探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质。天文学家们称，这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据。所谓暗物质是指宇宙中存在的一种不明性质的物质粒子，它的电磁放射和折射非常微弱，所以不能被直接探测到。按照天文学界目前流行的理论，暗物质才是宇宙物质的“主宰”，而我们肉眼能见的普通物质如恒星、行星，所占质量只是宇宙中很小一部分。暗物质不能被“看”到，但可测量到其存在的痕迹。天文学家介绍说，借助“引力透镜”效应探测到的这个奇特暗物质环位于距地球５０亿光年的一个编号为“ＣＬ００２４＋１７”的星系。附录3、据英国《每日电讯报》（2008年）报道，暗物质被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%以上的物质含量，而人类可以看到的物质只占宇宙总物质量的不到10%。美国科学家称，他们通过一种最新的理论研究发现，地球和月球之间其实隐藏着大量神秘的暗物质。暗物质无法被人类直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。新理论认为，在地球与月球之间存在着大量神秘的暗物质。这一观点也许可以用来解释所谓的“飞行异常”奇怪现象。当太空飞行器进入太空之前、尚在地球周围不断加速的过程中，所有飞行器都曾有过奇怪的速率变化过程。而根据已知的万有引力定律，不应该出现这种现象。于是有些科学家认为，这种飞行异常表明现有物理定律以及万有引力定律存在问题，爱因斯坦的广义相对论需要修正。当然这只是一种较为激进的看法。对此，美国普林斯顿高等研究院理论家斯蒂芬-阿德勒博士持有不同的看法，他认为飞行异常现象是由一种看不见的暗物质所造成。阿德勒解释，飞行器在穿越暗物质的过程中，受到了来自暗物质引力作用，于是就引起了飞行器速率的不规则变化。美国宇航局近日发表的一份分析报告也认为，卫星或太空探测器在飞离或返回地球的过程中，其往返轨道越不对称，飞行异常现象也就越明显。美国“近地小行星交会”“舒梅克”号探测器的飞行速度就比预计的要快