数论人生

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寻找暗物质

(2021-09-28 13:22:59) 下一个

暗物质概念的提出,是基于星系中的恒星绕星系中心的运动速度。按照牛顿的万有引力定律计算的结果,恒星离中心越远,它的运动速度应该越小;可实际观察结果却是,星系边缘的恒星的运动速度几乎没有差异。

是什么导致了这一现像?有人推测宇宙中应该有某种暗黑物体,对恒星施加了影响。根据速度偏差图(又称旋转曲线),Kelvin在1884年估计了黑暗物体的数量。1933年,瑞士天文物理学家Fritz Zwicky 根据virial 定理,推出了不可见质量(他称之为暗物质)大约为可见质量的400倍。另外,根据爱因斯坦的质能转换定理,在一个星系一定半径内,质量与光量的比值应当是恒定的。可根据旋转曲线推算出来的这一比值,却是随着半径而增加的。Babcock把这归因于光的吸收,或者星系外围的动力受限,而不是消失的物质。

根据广义相对论,当遥远的光线经过一个大质量物体时,观察者会看到光线弯曲了。中间物体的质量越大,光线的弯曲就越厉害。根据这个弯曲程度,人们可以计算出质量与光的比值;扣除可见的物质部分,就知道有暗物质存在。

根据Lamda-CDM模型的估计,我们的宇宙里仅有5%的通常物质和能量,27%为暗物质,68%是暗能量。如此大量的暗物质,人类怎么就是检测不到呢?既然是不可见的,那就无法光测到。它应该与普通物质很少发生作用,除了引力之外。牛顿万有引力定律的准确性就没有人怀疑吗?它连行星轨道的偏移也解释不了。爱因斯坦加了一项上去,方才推出了相对论。可是,自然定律是可以随意加减几项的吗?为了解释暗物质,人类的物理真得改写了。

暗物质也应该是有层次结构、由一些基本粒子组成的,正如普通物质是由分子原子、夸克和轻子组成的一样。三种中微子太轻,即使量大,也不可能是暗粒子的构成成分,因为密度不够。有人提出了WIMPS,弱相互作用大质量粒子;它们通过引力和其它力相互作用。也有人提出了原子大小的黑洞,与primodial black holes相似,在宇宙大爆炸的早期形成,密度无穷大;可是被证明了不存在。还有人提出了光介子(light bosons)或称axions;等等。现在普遍认为,暗粒子具有非重子型(non-baryonic)的成分。由于不能失去能量、也没有相互作用,暗粒子无法形成具有一定结构的形状。

如果暗物质是由粒子组成的,这些粒子定会在宇宙中大量飘散。人们可以观察它们在普通物质的原子核周围的散射,为此,物理学家们已经在深入地底之处,做了大量试验,尚无收获。也可以观察暗粒子衰变所形成的产物;它们总该互生互灭,产生某种射线吧?困难在于如何分辨暗粒子发出的信号;更主要的是,检测仪器的精准度。

也许人们能够用LHC(大型粒子对撞机)在实验室里制造出暗物质来。因为暗粒子与普通质子或电子鲜有作用,有人建议去检测那部分失去的能量和动量,如果知道碰撞形成的其它产物的话。问题是,这种LHC的工作原理是什么?总能量和总动量怎么计算?

先看看普通物质是如何形成的。按照量子理论的标准模型,是由于Higgs介子(上帝粒子)的存在,产生了Higgs标量场。夸克、电子、光子在其中运动受阻,相互作用而结合成形状,部分动能转变成了结合能或称势能;这些结合能或势能就是质量

暗能量该登场了。由Hubble望远镜所观察到的宇宙加速膨胀现象表明,可见物质和能量,是不可能让各个星系加速脱离彼此的;必定有某种看不见的力量(上帝之手)在推动这一切的发生。暗能量一词是Michael Turner在1998年创造的。暗能量有两种形式,一种是宇宙常数,代表宇宙里恒定的能量密度,也就是爱因斯坦在他的引力方程式中所添加的常数项,目的是维持一个静态的宇宙。然而,此项的添加,反而让宇宙不稳定了。看来,我们需要一个更准确的引力场方程。

第二种暗能量来自一些动态的标量场,其能量密度随着时刻与空间位置而变化,有人称之为第五种基本力(quintessence);它可以是吸引性的,也可以是排斥性的,取决于它的动能与势能的比值。这种力尚无任何表达式,其携带者的身分也未知,作用方式也不知,更别说用于检测了。

类似于Higgs介子,我们就叫这些携力粒子Quigs吧。由于它们的存在,形成了第五力场;暗粒子在其中运动受限,相互微动而形成了弦,部分动能转变成了势能;这些势能就是暗质量。暗能量与明能量相互作用,就形成了引力波。正是引力波导致了宇宙的加速膨胀。这一切的一切,都是可以通过式子来演算的;Quigs的检测还有待精密仪器的制造。

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