暗物質(zhì)困擾科學(xué)40年：宇宙96%組成一無(wú)所知
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- 時(shí)間:2011-5-18 9:55:05 來(lái)源:新浪網(wǎng)
這是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的星系NGC 1275，這個(gè)星系位于英仙座星系團(tuán)核心部位。圖中在其核心四周可以看到很多絲狀結(jié)構(gòu)，這是受其磁場(chǎng)固定的低溫氣體物質(zhì)
首先觀(guān)察到星系中恒星運(yùn)動(dòng)異常的美國(guó)女天文學(xué)家維拉•魯賓
新浪科技訊 北京時(shí)間5月18日消息，據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)報(bào)道，每當(dāng)夜幕降臨，抬頭仰望漫天星辰，人們會(huì)不禁感嘆宇宙的廣袤。但是你是否知道，宇宙中所能觀(guān)測(cè)到的所有恒星、行星和星系，加在一起的總質(zhì)量還不到整個(gè)宇宙質(zhì)量的4%。宇宙中96%的部分是由一些神秘的物質(zhì)組成的，科學(xué)家們看不到，探測(cè)不到它們，甚至無(wú)法想象出它們的摸樣。
這些神秘物質(zhì)被稱(chēng)作暗物質(zhì)和暗能量。盡管看不見(jiàn)摸不著，但是它們會(huì)對(duì)“可見(jiàn)宇宙”施加引力影響，而這種影響是能夠被察覺(jué)到的。而暗物質(zhì)和暗能量本身則仍然隱匿于黑暗之中，無(wú)影無(wú)蹤。
5月9日，在一場(chǎng)在美國(guó)紐約城市大學(xué)舉行的演講中，科學(xué)作家理查德•帕內(nèi)克(Richard Panek)說(shuō)：“宇宙主要的組成部分是什么？誰(shuí)知道呢！”他繼續(xù)解釋說(shuō)：“現(xiàn)在我們對(duì)此一無(wú)所知，也或許我們永遠(yuǎn)都搞不明白這個(gè)問(wèn)題。”
在帕內(nèi)克的新書(shū)《4%的宇宙》中，他為讀者們回顧了暗物質(zhì)和暗能量的發(fā)現(xiàn)歷程。這是一個(gè)充滿(mǎn)驚奇的科學(xué)發(fā)現(xiàn)歷程，也是一條科學(xué)家們互相激烈競(jìng)爭(zhēng)，希望首先揭開(kāi)謎底的探索之路。
暗物質(zhì)
科學(xué)家們最早察覺(jué)到宇宙中可能還存在我們所看不到的物質(zhì)，是在上世紀(jì)60~70年代。維拉•魯賓(Vera Rubin)是美國(guó)華盛頓卡內(nèi)基研究院地磁系的一位年輕的女性天文學(xué)家，當(dāng)時(shí)她正在對(duì)星系中不同位置的恒星運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行研究。
根據(jù)牛頓的經(jīng)典物理學(xué)，位于星系外部邊緣的恒星，其運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)當(dāng)相對(duì)較慢，而位于靠近中心部位的恒星運(yùn)動(dòng)速度較快。但魯賓卻觀(guān)察到了讓她震驚不已的情形：這些星系中不同位置的恒星根本沒(méi)有顯示出任何速度上的差異，它們似乎都以相同的速度圍繞星系中央運(yùn)行。
帕內(nèi)克解釋說(shuō)：“這意味著星系應(yīng)該會(huì)被撕裂，分崩離析。因?yàn)檫@不符合引力理論，是完全不穩(wěn)定的。魯賓于是認(rèn)定，自己一定是什么地方出錯(cuò)了。”
但是，其他天文學(xué)家進(jìn)行的重復(fù)觀(guān)測(cè)證實(shí)了他的觀(guān)察結(jié)果是正確的。最后，在經(jīng)過(guò)大量的觀(guān)測(cè)驗(yàn)證和計(jì)算機(jī)模擬之后，天文學(xué)家們不得不接受這樣一個(gè)結(jié)果，那就是這些星系中必定存在大量我們看不到的物質(zhì)。因?yàn)橹挥挟?dāng)假設(shè)我們所看到的物質(zhì)只占星系全部物質(zhì)的一小部分時(shí)，才能解釋這樣詭異的運(yùn)動(dòng)模式。困惑不已的科學(xué)家們于是便將這些看不見(jiàn)的神秘物質(zhì)稱(chēng)為“暗物質(zhì)”。
那么，暗物質(zhì)究竟在哪里呢？
盡管40年來(lái)科學(xué)家們奮力工作，可是他們至今仍然無(wú)法搞清楚暗物質(zhì)的本質(zhì)究竟是什么這一問(wèn)題。
一個(gè)比較流行的觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，暗物質(zhì)是由一種奇異的物質(zhì)粒子組成的，這種粒子不會(huì)和常規(guī)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，甚至和光也不會(huì)產(chǎn)生相互作用，因此是看不到的。但它卻和常規(guī)物質(zhì)一樣具有質(zhì)量，因此會(huì)對(duì)周邊的其他物質(zhì)產(chǎn)生引力影響，這就是為什么它會(huì)造成星系中恒星運(yùn)動(dòng)的異常，以及宇宙中其他不同尋常的現(xiàn)象。
然而令人沮喪的是，物理學(xué)家們進(jìn)行的長(zhǎng)期搜尋工作仍然無(wú)法捕捉到這種奇異粒子的任何蛛絲馬跡，甚至連根據(jù)其理論性質(zhì)設(shè)計(jì)的專(zhuān)門(mén)實(shí)驗(yàn)也未能找到它的身影。
帕內(nèi)克認(rèn)為，這樣的狀況給整整一代科學(xué)家們?cè)斐蓢?yán)重的打擊。他說(shuō)：“我認(rèn)為對(duì)于暗物質(zhì)的搜尋讓科學(xué)家們產(chǎn)生了嚴(yán)重的挫折感。當(dāng)他們年輕時(shí)，他們信心滿(mǎn)滿(mǎn)的進(jìn)入這一領(lǐng)域，告訴自己說(shuō)，‘好吧，就讓我來(lái)解決這個(gè)棘手的問(wèn)題吧。’但是在經(jīng)過(guò)15年、20年之后，他們?nèi)匀粵](méi)能取得任何進(jìn)展。這時(shí)候他們就會(huì)非常沮喪。他們會(huì)對(duì)自己說(shuō)‘我已經(jīng)將我的整個(gè)科學(xué)生涯投入進(jìn)了這項(xiàng)工作之中，可是我現(xiàn)在都不知道自己這輩子到底還能不能再這一領(lǐng)域取得一些新的發(fā)現(xiàn)。’”
但是還是有很多滿(mǎn)懷激情的物理學(xué)家們對(duì)此懷著希望。他們認(rèn)為我們數(shù)十年來(lái)的工作正讓我們逐漸接近真相，而位于瑞士日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)則將有望幫助我們最終找出暗物質(zhì)的秘密。
暗能量
暗能量甚至比暗物質(zhì)更加神秘莫測(cè)。它的發(fā)現(xiàn)更加晚，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，科學(xué)家們能解開(kāi)它的奧秘的可能性更小。
故事要從1990年代開(kāi)始說(shuō)起。當(dāng)時(shí)有兩個(gè)頂尖的物理學(xué)家小組正在從事宇宙膨脹方面的研究工作。他們的目的是想找出宇宙的膨脹究竟有多快，從而推測(cè)它的命運(yùn)：宇宙究竟會(huì)永遠(yuǎn)膨脹下去。還是會(huì)最終收縮成為一點(diǎn)，形成所謂的“大反沖”。
為了做到這一點(diǎn)，科學(xué)家們運(yùn)用特殊的方法對(duì)宇宙中各個(gè)方向上的超新星進(jìn)行測(cè)距。隨后他們對(duì)這些天體目標(biāo)進(jìn)行光譜測(cè)量，以便了解它們遠(yuǎn)離我們的速率有多快。
我們知道，由于光速的有限性，遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光需要花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億年的時(shí)間才能到達(dá)地球。因此當(dāng)我們觀(guān)測(cè)遙遠(yuǎn)的天體時(shí)，我們其實(shí)是在回溯時(shí)間，目睹過(guò)去的時(shí)光。因此，對(duì)宇宙中不同距離上天體遠(yuǎn)離我們而去速度的測(cè)量，我們事實(shí)上正在觀(guān)察宇宙不同時(shí)期膨脹速率上的差異。
科學(xué)家們預(yù)計(jì)他們將觀(guān)測(cè)到兩種可能的情形：第一種是宇宙一直以一種近似相同的速率膨脹，第二種就是，隨著宇宙年齡增加，膨脹動(dòng)力逐漸減弱，膨脹速率隨之變慢。
但實(shí)際觀(guān)測(cè)的結(jié)果再次讓他們目瞪口呆。因?yàn)樗麄兯吹降那闆r完全出乎他們的預(yù)料：宇宙正在加速膨脹！
這樣的事實(shí)無(wú)法用我們已知的任何物理學(xué)知識(shí)來(lái)解釋。根據(jù)傳統(tǒng)的物理學(xué)觀(guān)點(diǎn)，宇宙中全體物質(zhì)的引力應(yīng)當(dāng)會(huì)使宇宙膨脹減速，甚至開(kāi)始收縮，正如我們拋出一個(gè)皮球，當(dāng)它上升到一定的高度就會(huì)因?yàn)榈厍虻囊Χ饾u減速最后下落一樣。
帕內(nèi)克解釋說(shuō)：“這就意味著，還有一種神秘的，宇宙尺度的巨大力量在對(duì)抗引力。科學(xué)界一開(kāi)始完全無(wú)法接受這樣的觀(guān)點(diǎn)，因?yàn)檫@實(shí)在太詭異了。”
激烈競(jìng)爭(zhēng)
科學(xué)家們這一次將這種神秘的力量命名為“暗能量”。盡管科學(xué)家們自己也搞不清楚這種神秘的力量究竟是什么，它來(lái)自何方？但是它似乎確實(shí)存在，并且竟然能夠抗衡整個(gè)宇宙中全部物質(zhì)引力的作用。
但是，對(duì)這種神秘力量的完全無(wú)知并不能阻擋科學(xué)家們奮力揭開(kāi)其謎底的激情。
帕內(nèi)克告訴美國(guó)太空網(wǎng)的記者說(shuō)：“我不斷聽(tīng)到的情況是，盡管在這個(gè)領(lǐng)域很難取得成就，并且前途不明。但是那些投身這一領(lǐng)域的科學(xué)家們?nèi)匀粷M(mǎn)懷激情，他們都在拼命工作，希望自己能首先解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)。這個(gè)問(wèn)題所蘊(yùn)含的巨大意義和深刻影響，讓他們非常興奮。”
總體而言，暗能量大約占據(jù)全宇宙中73%的物質(zhì)和能量，其余23%是暗物質(zhì)。而我們能看到的一切，所有星系，所有恒星和行星，所有我們所知道的一切熟悉的事物，僅僅占據(jù)宇宙的4%。
這兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的科學(xué)家小組幾乎在同一時(shí)間發(fā)現(xiàn)了這種令人震驚的事實(shí)。這種競(jìng)爭(zhēng)隨后開(kāi)始一直持續(xù)，兩個(gè)小組相互都討厭對(duì)方。
但是不管怎樣，最終在科學(xué)的歷史長(zhǎng)河中，這兩個(gè)小組的科學(xué)家們都已經(jīng)用他們的工作留下了不可磨滅的功績(jī)。
帕內(nèi)克說(shuō)：“我想，對(duì)于暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)將讓他們獲得諾貝爾獎(jiǎng)，這應(yīng)該只是時(shí)間問(wèn)題。”
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