AL123 人文社科会员免费专区文学 2022-09-09

世间万物之精妙：自然哲学与物理原理_AZW3_MOBI_EPUB_[西班牙]大卫•周

内容节选

9.暗物质与暗能量迄今为止，我们所讨论的物质模型仅仅局限于质子、中子与电子，更具体细分为夸克与轻子。这些对物质的认识，来源于地球上我们已知的世界与粒子加速器或宇宙射线中所捕获的证据。但是，我们又是如何认定整个宇宙皆由这些物质所构成的呢？希腊人曾经也思虑过相似的问题，他们曾认为已知物质由四种元素构成，但宇宙空间内则充满了未知的以太。最近的研究理论表明：对星系的光谱分析证实了它们的构成原子与我们所熟识的相同。而现在越来越多的质疑与迹象表明，我们所已知的物质形态却最多只占据宇宙内容成分的5%。而宇宙中的剩余物质大概由25%的暗物质与70%的暗能量所组成。虽然我们观察到了许多受它们的存在影响而产生的细枝末节，但是其具体构成依旧是一个谜。暗物质与星系运行暗物质是一种基于假设推想而出的物质，它只会受引力相互作用的影响，而不受其他物理相互作用干扰。因此它与电磁相互作用无关，更不会发射辐射。这导致了只能够依赖星系的旋转速度，星系团、星系形成过程和原始轻元素的相对丰度等迹象推断暗物质存在。观测现象表明，其星系边缘的旋转速度远快于纯粹由物质组成的星系旋转速度。也就是说，如果星系中只包含物质，那么快速旋转产生的离心力将会足以克服向心的引力，这将拉扯并最终导致整个星系撕裂 [1] 。这也就是为什么自20世纪30年代以来，兹维基 [2] 提出星系中的物质应该比可见更多。虽然其中这部分物质很有可能组成了白矮星、黑洞与小行星等一般物质星体，但是所观测到的这类星体远不及其差值。出于这个原因，他提出了能够赋予引力却未知的物质存在，即暗物质。这类物质会以环晕状围绕星系，并且越远离星系中心，其富集程度越高。与能够以电磁辐射方式释放能量的普通物质不同，它们只会产生微薄的引力辐射，这类环晕状物质甚至会延伸至星系可见范围半径的2倍以外。某些关于对星系之间碰撞的详细研究，可以解释暗物质晕可能产生的影响。星系团内的星系运动已经证实了由星系旋转获得的暗物质丰度指数，在这些星团之中，如若该星团仅仅包含一般物质，则星系的角速度明显高于其星团质心。暗物质与星系的形成虽然暗物质不能被直接观测，但是其存在可以通过银河效应推论判断出来。除此之外，亦可通过观测源自遥远星系发出的光，射过临近星系时产生的引力偏差，而被更一般地证明出来。对夜空中2.5万个星系间引力偏差的测量，使我们得以对太空中暗物质的分布进行系统研究。这项壮举性的研究结出了丰硕成果：间接地观察表明海量的暗物质存在跨越了无垠苍穹。在宇宙汇聚暗物质的怀抱之中，零星点缀着可见的星系，也因此，我们可以将积聚的暗物质团看作可视宇宙的构架。星系的形成是一个缓慢过程，宇宙在形成后的38万年左右时，辐射才与物质不再相互作用。均质效果的辐射压力不再阻止物质间因引力所导致的聚集，星系进而逐渐形成。1992年的COBE、2002年的WMAP以及2012年的PLANCK等卫星传回的数据，为我们揭示了宇宙微波背景辐射中存在的小各向异性 [3] 。这些各向异性与物质的局部密度分布不均性相关，它们就如“星系的种子”一般汇聚，兼并它们的构成物质。因此，对背景辐射的详细观察研究，可为我们提供在星系形成之前的宇宙状态。图9-1 不受电磁辐射压影响的暗物质，将会比普通物质更早地受引力影响而开始聚集。而后，它们又将加速引力聚集，并进而有助于第一个星系的形成。暗物质在我们宇宙中组成了众多无垠通途，在其中点缀着可见的星系背景辐射各向异性的微小差异表明，当前宇宙如若仅由普通物质所组成，在目前的持续时间内不足以形成星系。对于该问题的解释之一便是，假设星系形成始于先前的暗物质积累，而由于这类物质对电磁相互作用不敏感，导致其未受到最初38万年以来普通物质所累积的辐射压力影响。也正是因此，最初暗物质只会被引力所相互吸引，并在之后的岁月中牵引普通物质的运动。这一假设模拟了两种可能的暗物质类型 [4] ：由轻质且快速粒子构成的热暗物质；由重质且慢速粒子组成的冷暗物质。前者被用于解释大爆炸之后，星系和星系团等宏观大尺度宇宙结构的产生。这类暗物质首先形成了星系团，星系团再逐渐解构为较小的星系 [5] 。后者的过程则与前者完全相反，从平滑初始状态的小结构逐步构建，汇聚为更巨大的结构 [6] 。二者之间的差异导致不同情况的星系空间分布。对星系形成过程的计算机模拟以及这一模拟结果，与星空分布观测的比对表明，冷热两种暗物质的相对比例与事实相符。尽管我们掌握了相当详尽的暗物质性质及其所能产生的效应，我们依旧对其成分一无所知。重暗物质可由本书第4节中提及的超对称粒子构成，它也是我们所主动搜寻的对象之一。然而可惜的是，至今我们尚未在大型强子对撞机（LHC）中捕捉到它的踪迹。可能的动力学扩展一些学者认为，与其假定暗物质的存在，倒不如直接修正异于广义相对论的牛顿的万有引力......