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图6-3-2 星系作为引力透镜
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天文学家在研究我们自己所在的银河系时,也发现它的外部区域存在暗物质。银河系的形状像一个大圆盘,其大小约为10万光年。根据引力理论,靠近星系中心的恒星,应该移动得比边缘的星体更快。然而,天文学家们从测量中发现,无论位于内部还是边缘,所有恒星以大约相同的速度绕着星系中心旋转。这表明,银河系的外盘存在大量的暗物质,这些暗物质像一个巨大的“暗环”围绕着银河系,其半径可能是明亮圆盘光环的10倍。
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有的读者可能会说:就算你刚才说的天文观测资料证实了宇宙中除了看得见的星体之外,还有暗物质,你又怎么能够知道暗物质有多少呢?图6-3-1中各种成分的比例是“普朗克”卫星公布的资料,那么“普朗克”卫星是如何得到这些数值的?
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这确实是一个有意思的问题。想想平时是如何得到各种物质材料质量之比的,我们使用的是天平或者“秤”。可是,“普朗克”卫星又不能把天体拿到“秤”上去称,它报告的物质比例从何而来呢?
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在天文学中估算天体质量时,人们利用的是在引力理论基础上建立的各种数学模型,无论是行星、恒星、星系,还是各种天文现象,都有其相应的数学模型。这些模型,便是“称量”宇宙的秤。数学模型中有许多未知的参数,需要由天文观测的数据来决定。“普朗克”卫星主要是通过测量微波背景辐射中的细微部分来获得这些参数,然后研究人员将这些数据送入计算机,解出数学模型,最后得到各种成分的比例。
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这是一个相当复杂的过程,包括了很多物理理论、数学知识、计算技术、工程设计等方面的知识。就物理概念的大框架来说,科学家们大概用如下方法估计这个比例。
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以刚才说到的银河系为例,从观测到它的恒星旋转速度与引力理论计算之差距,还有以银河系作为引力透镜的效果,可以计算银河系中暗物质相对于正常物质的比值。而“整个宇宙”(注:这里和本书中,皆指整个“可见”宇宙),可能含有1750亿个星系,每个都有数千亿颗恒星、行星、卫星尘埃、暗物质等。“普朗克”卫星巡视宇宙中所有的星系后,可以估计出宇宙中暗物质相对于正常物质的比值。天文学家早就知道如何估计宇宙中正常星体的总质量,现在,从“明暗”物质的比例便能算出宇宙中暗物质的总质量。不过,我们暂且将这两个数值放在一边,因为还有两个与宇宙总质量有关的观测事实,我们必须考虑。一是宇宙一直在膨胀并且加速膨胀的事实。从膨胀的速度和加速度,可以估计出宇宙的总质量。不同模型有不同的公式,但大同小异,在此不予详细介绍。另一个是有关宇宙的整体平坦性。根据广义相对论的结论,在大质量天体附近,时空是弯曲的,我们观测到光线偏转、引力产生的进动、谱线红移等事实,毫无疑问地验证了爱因斯坦的结论。广义相对论的应用可以扩大到整个宇宙,即研究宇宙的大尺度结构和形态,用来估算宇宙作为一个整体的曲率和形状:宇宙是开的,还是闭的?是像球面、马鞍面,还是更像平面?这个理论涉及一个“临界质量”。如果宇宙的总质量大于临界质量,比较大的引力效应使得宇宙的整体形状成为球面;如果宇宙的总质量小于临界质量,引力效应更弱一些,宇宙的整体形状是马鞍面;宇宙的总质量等于临界质量则对应于平坦的宇宙。
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根据天文观测得到的宇宙学资料,宇宙在大尺度范围内是平坦的,说明宇宙的总质量大约等于临界质量。
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但是,从宇宙加速膨胀得到的宇宙总质量,或者考虑平坦宇宙应该具有的临界质量,都大大超过观测所估计的“明物质”加“暗物质”之总和。
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物理学家提出的“暗能量”,便是为了解释这个宇宙组成中所缺失的大部分。如此便有了图6-3-1中所画的比例。图中所示的比例成分,是2003年“威尔金森微波各向异性探测器”(Wilkinson Microwave Abisotropy,WMAP)卫星给出的结果。2013年,“普朗克”卫星给出的数据是68.3%的暗能量、26.8%的暗物质,以及4.9%的通常物质。
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既然提出暗能量的假说,那么至少总要根据理论的需要描述一下它是个什么东西吧。暗能量像是存在于宇宙中的一种均匀的背景,在宇宙大范围中起斥力作用,加速宇宙的膨胀,但是又不能严格地说它是一种斥力,因此只能称其为能量。天文学家用暗能量来解释宇宙加速膨胀及宇宙整体平坦的观测事实。而暗能量作为一种物理实在,其本质又如何解释呢?对此又有两种说法:一是认为其是弥漫于宇宙中的某种标量场,二是认为它类似某种“真空能”,真空不空,且具有能量,但人们很难探测到它的存在。第二种说法实际上与爱因斯坦在引力场方程中引入的“宇宙常数”有关。爱因斯坦提出广义相对论时,物理界普遍认为宇宙是整体静态的,即既不膨胀也不收缩。因此,爱因斯坦在方程中加上了“宇宙常数”一项,其目的是用以维持一个静止宇宙的图景。但事实上,由此常数的不同数值,可以控制宇宙的演化情形。
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之后,哈勃证实了宇宙不是静止的,而是在不断膨胀。爱因斯坦还曾经为引入了那个宇宙常数懊恼不已,要将“宇宙常数”收回去,认为是自己所犯的“最大的错误”。再后来,在爱因斯坦早已去世的1998年,天文学家又证实了宇宙不但在膨胀,还是加速膨胀。为了解释加速膨胀和暗能量,天文学家和物理学家又把爱因斯坦丢弃的宇宙常数,当宝贝一样捡了回来。不知道如果爱因斯坦的在天之灵听到这个意外的消息,将作何表情?
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因为都是“暗货”,人们经常将暗物质和暗能量混淆。并且,根据爱因斯坦的质能关系式:E=mc2,质量和能量可以看作是物质同一属性的2个方面,那么为什么还要将两种暗货区别开来呢?其中原因很难说清,基本上还是因为我们尚未明白它们到底是什么?
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这两种“暗货”在宇宙中的具体表现大不相同。也就是说,暗物质和暗能量这两个概念在本质上有所区别。虽然它们也许有关系,但有什么关系没人知道。人们知道更多的是两者的不同。暗物质吸引,暗能量排斥。暗物质的引力作用与一般普通物质之间的引力一样,使得它们彼此向内拉,而暗能量却推动天体互相向外分离。暗物质的影响表现于个别星系,而暗能量仅仅在宇宙尺度起作用。可以如此总结宇宙不同成分的作用:宇宙由明物质和暗物质组成,并因暗能量而彼此分开。
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宇宙中各种成分的比例并非一成不变的。除了因为不同地点、不同卫星、不同年代,提供不同数据而算出不同比值的人为差距之外,理论模型还预言该比值在大时间范围内的变化,如图6-3-3所示。
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图6-3-3 暗物质和暗能量的“拉锯战”
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图6-3-3中可见,暗质量增加宇宙中的质量,使得天体互相拉近,图中将它们的作用比喻为向下拉的弹簧。而暗能量在图中被比喻为升空的气球,欲将控制宇宙大小之“弹簧”拉长,使得其间天体互相分离。这两种作用不停地进行这种“拉锯战”。图6-3-3还分别形象地表示出了90亿年前、50亿年前,以及现在的宇宙大小及两种作用的大小。
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尽管已经有越来越多的证据显示暗物质和暗能量的存在,但这些“证据”毕竟是间接的。因此,近年来科学家们一直在努力改进实验和观测手段,试图“捕获”这些暗货,但迄今尚未成功。理论学家们也在努力建立其他的模型来解释它们。真正有这些我们完全不了解的物质存在吗?宇宙加速膨胀真的来自于暗能量这种额外力量的推动吗?会不会是观测结果不够准确呢?或许是作为宇宙学基础的广义相对论有某种根本性的问题?
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2015年年初,暗货领域又传来了与我们过去认识有所不同的新消息:暗货添加了新内容!除了暗物质和暗能量之外,可能还有一种未知的暗相互作用,由某种“暗光子”传递?如此推论下去,也许暗物质是由数种粒子组成的,它们会相互作用,组成暗原子、暗分子甚至暗星系,构成一个“暗世界”?
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有关暗能量和暗物质,还有很多未解之谜,对它们的探索和物理解释是对21世纪理论物理学最严峻的挑战!
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爱因斯坦与万物之理:统一路上人和事 4.群星灿烂
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