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花10分钟了解暗物质
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Colin Stuart 文 Shea 编译 |
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几十年来，最顶尖的天文学家一直在搜寻宇宙中最神秘物质的巨大宝藏。我们不能看到它们，那么我们又是如何怎么知道它们的存在呢？ 为什么认为存在暗物质？ 直到20世纪30年才有第一个线索表明，宇宙中的一切并非都能被看见。瑞士裔美国天文学家弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）当时对一个星系团进行了观测，测量了其中每个星系的运动速度。令他惊讶的是，他发现这些星系的运动速度远远超出了预期。事实上，它们运动的速度之高，会使得这个星系团很快瓦解，但现实却并非如此。于是，兹维基推测，在这个星系团中必定还存在着更多的物质，所有物质整体的引力维系住了这些星系。他估计，这些“额外”物质的质量是可见物质的400倍以上。在尚不清楚这些神秘的物质到底是什么的时候，他直接把它们称为“dunkle materie”——德语，意为“暗物质”。 大约在同一时间，荷兰天文学家扬·奥尔特（Jan Oort）也发现了类似的东西。他所观测的是在银河系边缘附近运动的恒星。他以为会看到距离银河系中心越远，恒星绕转的速度会越慢。这种想法和太阳系的情况无异：距离太阳越远，行星的轨道周期就越长。但奥尔特看到的却并非如此。外围的恒星其运动的速度超出了预期。为了解释为什么它们速度如此之高却还被束缚在银河系内，奥尔特提出在银河系内存在不可见的物质，它们的引力维系住了这些恒星。到1980年，美国天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）在100个左右的其他星系中也观测到了相同的现象。无论这些不可见的物质是什么，它们一定非常普遍。 如今，被称为引力透镜的效应为暗物质提供了更多的证据。如果有一大团物质，例如星系团，恰好位于一个遥远光源的前方，那么前景天体就能弯曲从其附近经过的背景光。由此会产生一系列的光弧，把这些弧线形连接起来就会形成一个“爱因斯坦环”。质量越大，它对光线的弯曲量越大。然而，在星系团中没有足够的可见物质能产生出我们所观测到的弯曲。于是，再一次地，那里必定隐藏着不可见的额外质量。  [图片说明]：瑞士裔美国天文学家弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）（1898年-1974年）。
暗物质是什么？ 物理学家用粒子物理学的标准模型来描述宇宙。通过这一模型，可以解释力的作用以及粒子间的相互作用。包括在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机在内，标准模型已经多次被实验所证实。最近发现的希格斯玻色子更是充分地证明了这一点。 然而，标准模型无法解释观测到的暗物质行为。为了隐藏起来不被发现，暗物质不能与光发生相互作用，只能与普通物质之间存在引力作用。意在试图解释这一现象，物理学家们提出了一种新的粒子：弱相互作用大质量粒子。由于不与光相互作用，因此它们是“弱相互作用”；由于具有引力，因为它们是“大质量”。 当天文学家运行以弱相互作用大质量粒子为暗物质形式的计算机模拟，他们会得到一个与我们今天所见星系分布极为吻合的宇宙结构。有一个超越标准模型物理学理论似乎也与这一图像相容，这个理论被称为超对称。 过去还考虑过其他的解释，例如晕族大质量致密天体。它们是隐藏在银河系中不可见的大质量天体，例如黑洞。当我们把所有的质量都加起来的时候，并没有把它们包括在其中，因此低估了银河系的质量。然而，对早期宇宙的观测和建模严重地质疑了这个观点。目前，弱相互作用大质量粒子是暗物质候选体的领跑者。
如何发现暗物质？ 要怎么才能找到不可见的某样东西呢？当然，你是看不到它的。更糟糕的是，弱相互作用大质量粒子如同幽灵，几乎总是能不留痕迹地穿过普通物质，这也包括了用来探测它们的所有实验装置。从另一个角度来看，暗物质的数量极其丰富，每秒钟会有数十亿个暗物质粒子畅通无阻地穿过你的身体。不过，平均来说，每过5分钟的时间，在这些暗物质中才会只有一个粒子与构成你身体的原子发生相互作用。 暗物质粒子会偶尔与普通物质发生相互作用的这一想法是大型地下氙（LUX）实验的理论基础，它位于美国南达科他州的地下深处。科学家们利用了一个位于地下1.6千米处被废弃的金矿，在里面建造了这个暗物质探测器。包含有370千克的液态氙并使用264 979升水来做屏蔽，它被设计来探测弱相互作用大质量粒子与氙的相互作用。如果一个弱相互作用大质量粒子与氙原子发生碰撞，这个氙原子就会在液态氙中加速，这会产生一道闪光，周围大量非常灵敏的摄像机就会捕捉到它。 当暗物质与自身发生相互作用——被称为湮灭——时，科学家也能够由此来探测它们。当这种情况发生时，它被认为会产生大量的次级普通物质粒子，进而可以捕捉到它们。国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS-02）目前正在从事这一工作。它正试图寻找银河系中心处弱相互作用大质量粒子湮灭所产生的粒子。 太阳也能帮助探测暗物质。作为太阳系中最大的天体，太阳会像一个巨大的宇宙吸尘器，在绕银河系中心转动的过程中“吸入”沿途的暗物质粒子。这些暗物质粒子中的一些会在太阳内部发生湮灭，产生普通物质粒子流。不幸的是，太阳的密度非常高，几乎所有这些子粒子都会被困在里面。不过，有一种粒子——中微子——可以飞出来，抵达地球。位于南极的冰立方中微子天文台就是建造来探测这些信号的。 再有就是大型强子对撞机。在停机2年来进行升级之后，2015年5月5日这一实验开始重启。科学家们希望，通过较以往都更高的能量让粒子间发生碰撞，大自然也许会向我们展现出更多其内在运转机制的秘密。或许，我们甚至会一睹超对称的证据。这是一个超越了标准模型的理论，包含了解释暗物质的弱相互作用大质量粒子。重要的是，如果大型强子对撞机仍然没有发现超对称理论的任何证据，那么它就有可能会打响了寻找宇宙中这些“丢失”物质另一种解释的第一枪。  [图片说明]：荷兰天文学家扬·奥尔特（Jan Oort）（1900年-1992年）。
暗物质有可能是其他东西吗？ 到目前为止，我们一直假定暗物质是有形的，是某种确实存在的实体。但如果并非如此呢？它会不会是我们对引力的认识有误所产生的幻象呢？这正是修改牛顿动力学（MOND）理论的支持者所倡导的。 还记得吗，最初引入暗物质的原因之一就是要解释银河系中恒星的运动速度不随到银心的距离增加而减小。但是，假如引力在小尺度（如太阳系）上和大尺度（如星系）上有不同的规律，那会怎么样？虽然牛顿万有引力定律让我们可以把人送到月球，或者把航天器送往其他行星，但这一适用于太阳系的规律也许并不适用于银河系中的恒星。 这个想法最先由以色列物理学家莫尔德艾·米尔格龙（Mordehai Milgrom）于1983年提出。他认为，在加速度较小的地方，例如旋涡星系的边缘，引力的强度可能会比牛顿引力定律所预言的更强。这个理论有帮于解释一些星系运转的方式，而这却是暗物质理论所不能的。不过，目前还没有充分的理由去怀疑引力在不同的尺度上会有不同的行为，因为修改牛顿动力学在解释星系团上存在着困难。另外，今天牛顿万有引力定律已不再是最好的的引力理论，这一殊荣属于爱因斯坦的广义相对论。修改牛顿动力学还有待被纳入相对论的架构之下。 暗物质与暗能量有什么关系？ 没关系。驱动宇宙加速膨胀的某种实体被称为暗能量，它实质上是一种反引力。与此相反，暗物质则会产生引力，有助于维系星系和星系团，使它们免于解体。事实上，它们都反映了我们对大自然本质的无知，只能从字面上称呼其“暗”。 你可以认为宇宙的历史其实就是这两者之间的一场拉锯战。在宇宙年轻的时候，星系间相互靠近，暗物质占据主导，使得宇宙膨胀速度减慢。然而，随着宇宙逐渐变化，星系间的距离增大，暗物质在最大尺度上的引力开始减弱。现在，暗能量已赢得了战斗，正在加速宇宙的膨胀。 那么，宇宙中有多少暗物质呢？暗物质的总量远远超过构成你我、行星和恒星的普通物质。银河系质量的约90%是暗物质，普通物质——也被称为重子物质——只占10%。在整个宇宙的物质组成中，85%为暗物质，重子只占15％。 不过，有一件事情要小心，那就是要区分宇宙中的暗物质和不发光物质。根据爱因斯坦著名的公式E = mc2，质量和能量是同一枚硬币的两个面。因此，宇宙学家们经常会说宇宙的质能，也就是把所有的质量和能量都放在一起考虑。从这个意义上讲，宇宙质能的68%是暗能量，27%是暗物质，原子只占5%。如果不考虑能量部分，那么暗物质占宇宙总质量的85%，重子物质占15%。  [图片说明]：美国天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）（1928年-）。
搜寻暗物质会给我们带来什么？ 和所有的科学研究一样，在最初的阶段往往很难预测实际应用。然而，许多技术常常会渗透到我们日常生活中。以欧洲核子研究中心为例，它建立了第一个网页info.cern.ch。这个技术当初是设计用于该中心内计算机之间进行通讯的。搜寻暗物质有可能给我们带来的一项副产品是更好的数码相机。目前，天文学家正在智利的沙漠中建造大型综合巡天望远镜。到2021年，它就会开始扫视天空。配备有世界上最大的3200百万像素的照相机，它能够勘测出宇宙的结构，进而检验暗物质理论。通过制造如此巨大的相机，这些新技术最终会惠及商业摄影和医疗影像市场。 |
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[BBC Focus 2015 Summer]
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2001-2016 火流星工作组制作
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