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探索暗物质之谜 揭开宇宙是由什么组成的

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发表于 2016-4-9 21:04:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
如果一个外星人设法从另一个平行宇宙造访我们的宇宙,很可能根本不会注意到我们的存在。

从某种意义上说,这是显而易见的:宇宙太大了,而地球只不过是一个微不足道的、淡蓝色的小点而已。但比这更糟的是:外星人可能无视所有的恒星,以及围绕恒星运转的行星,甚至可能对飘过太空的那些巨大的尘埃云也视而不见。

但是,所有这些我们熟悉的东西,仅仅占宇宙物质的很小一部分。宇宙中剩下的部分是由某些其他“东西”构成的,这种“东西”是地球人类从未看到过的。

物理学家将这种“东西”称为“暗物质”。如果宇宙中没有暗物质的存在,那么宇宙中的星系就会飞散而去。没有人知道暗物质究竟是什么,但物理学家正在热切地追寻其踪迹。


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你所看到的身边的一切——从你的身体,到你站立的这颗行星, 以及天空中的点点繁星——都是由原子构成的。所有这些原子又是由更小的粒子,如质子和中子构成的,而这些粒子中的很多还可以进一步分解。



兹威基是一个疯狂的理论家,他把自己能够观测到的所有的力都加在一起,发现还是不足以解释事实。

20世纪初,当物理学家开始了解原子的组成时,似乎我们即将参透宇宙中所有物质的本质。但是在1933年,一位名叫弗里茨·兹威基的瑞士天文学家提出,宇宙的绝大部分必定是由某种完全不同的物质组成的。他将星系群中所有他能观测到的物质的质量加在一起,发现这些质量所能产生的引力强度,不足以将星系聚拢在一起。

“同时,兹威基观测到的星系都‘转得太快了’,以至于在如此快的转速下,它们早就应该把自己给甩出去,分布在宇宙的各个角落了。”英国杜伦大学的理查德·梅西说,“宇宙中的每一个星系都像是一个旋转过快的旋转木马,上面的乘客都将被甩出去!”

兹威基意识到,宇宙中必定还有其他物质,一些他无法直接观测到,但拥有足够强大的引力,从而将星系拢在一起的物质。他将这种未知的物质形态称为“暗”。

在当时,他被认为是一个怪人,而他的理论也没有得到认真对待。直到20世纪70年代,天文学家薇拉·鲁宾发现我们附近星系的旋转方式有些不对劲。

这些星系中一定有某种东西在起作用,从而阻止了恒星飞离星系。

在我们的太阳系中,有一个简单的法则:一颗行星距离太阳越远,太阳引力对它的作用就越弱。因此,这颗行星将运行得更慢,其公转一周会花费更长的时间。同样的法则应当也适用于围绕星系中心运行的恒星:随着引力作用的减弱,离星系中心最远的恒星的运行速度也应该是最慢的。

然而,鲁宾发现,距离星系中心最远的恒星与星系中心附近的恒星运行得一样快。鲁宾认为,这些星系中一定有某种东西在起作用,从而阻止了这些恒星飞离星系。归根结底,也就是说,兹威基当年的路子是对的。

以我们目前对宇宙的了解,天文学家认为,暗物质在宇宙形成的过程中起到了基础性的作用。

几乎从140亿年前宇宙大爆炸后的那一刻起,宇宙就开始了快速的膨胀,星系团开始形成。然而,宇宙的膨胀并没有快到所有星系都飞到宇宙边边角角的地步。这是因为,尽管暗物质看不见摸不着,但它将宇宙中所有的一切都拢在一起。



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暗物质(红色)、光(黄色)和星系(蓝色)的示意图



从某种意义上说,暗物质就像风一样,我们无法直接看到它,但是知道它就在那里。更重要的是,宇宙中暗物质的量很大:大约占整个宇宙物质的25%。有时候,人们说宇宙中所有物质的大约80%是暗物质。那是因为,宇宙只有区30%是由物质构成的,剩下的是能量。



20世纪80年代,暗物质存在的第一个确凿证据出现了。

暗物质是骨架,普通物质就挂在暗物质骨架上。



1981年,在哈佛大学,一个由马克·戴维斯领导的团队进行了最早的星系调查。他们意识到,星系并不是以一种统一的模式排列的,“并不是像蛋糕表面的糖衣一样均匀分布”。

事实上,星系聚集成了大的星系团,每个星系团都包含几十万个星系。这些星系团构成了被称为“宇宙网络”的错综复杂的模式。这一网络就是由暗物质捆绑在一起的。

“换句话说,暗物质是骨架,而普通物质就挂在暗物质骨架上。”英国剑桥大学的卡罗琳·克劳福德说,“我们知道,在宇宙的早期暗物质就已经存在了。将那些材料聚集在一起是至关重要的,只有这样,宇宙才能继续发展,成为我们今天看到的结构。”


英国杜伦大学的卡洛斯·弗朗克说:“这些星系团的发现引起了轰动。”戴维斯——他当时的老板——给他布置了一个具有挑战性的任务:找出星系以这种方式排列的原因。

拥有这种热暗物质的宇宙,与真实的宇宙完全不是一回事。



当弗朗克着手进行这项研究时,他发现,已经有人宣称解决了这一问题。1980年,一个由V.A.留比莫夫领导的俄罗斯研究团队已经提出了有关暗物质的一种可能的解释,认为暗物质是由中微子组成的。

这是有一定道理的。中微子是黑暗的幽灵般的粒子,与其他物质几乎不发生相互作用。研究人员提出,所有中微子加起来的质量,可能就是宇宙中失踪的质量。

但是这里有一个问题。中微子是热暗物质,这就意味着它们很轻,因此能够快速移动。当弗朗克试图模拟一个充满了热暗物质的宇宙时,发现根本行不通。

“令我们失望的是,我们发现,拥有这种热暗物质的宇宙与真实的宇宙完全不是一回事。”弗朗克说,“拥有热暗物质的宇宙相当完美,但不是我们生活的这个宇宙。在那个宇宙中,应该存在庞大的超级星系团,而在我们的宇宙中这种情况是不存在的。”



暗物质必须是“冷的”,而且运动得很慢。下一步就是要找出这种冷暗物质在哪里了。

虽然我们无法直接看到它,但暗物质干的一件事会使自己露出马脚。它会使穿过它的光线发生弯曲。这和光线穿过泳池或是结了霜的浴室窗户时发生的事情有些相似。

这种效应被称作引力透镜效应,可被用于计算出暗物质在哪里。利用这项技术,科学家正在创建宇宙暗物质地图。

当然,目前的这类地图还太粗略,无法展现任何细节。在位于加州理工学院的美国航空航天局喷气推进实验室里,加里·普雷奥说:“这就好比说,你已经对地球上的大陆有了一个基本的了解,而现在真正感兴趣的,是这些大陆上山脉和湖泊的形状。”


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暗物质探测器




尽管如此,对于暗物质在什么地方,我们至少有了一个大致的了解。但是,我们仍然不知道暗物质到底是什么东西。

对此,人们已经提出了几个观点,其中最流行的观点认为,暗物质是由一种新粒子构成的,这种粒子可以通过理论加以预测,但从未被观测到过。他们将其称为“弱相互作用大质量粒子”(英文缩写WIMP)。

WIMP只不过是一个标签罢了,它可能包含很多不同种类的粒子。



“对我们所处的这个世界来说,WIMP在各个方面的作用都是很微弱的。”英国诺丁汉大学的安妮·格林说,“首先,它们彼此之间不会发生相互作用,更不用说与普通物质发生相互作用了。当你击打一堵墙时,你的手会与墙发生碰撞。但当一个WIMP与墙壁发生碰撞,或与另外一个WIMP发生碰撞时,通常来说,它会径直穿过对方。虽然它们的个头并不一定很大,但WIMP拥有很大的质量,很可能是质子质量的数百至数千倍。”


问题就在于,我们不知道它究竟有多重。


“WIMP只不过是一个标签罢了,它可能包含很多不同种类的粒子。”梅西说,“更糟的是,它们来无影去无踪,所以对它们进行探测是极其困难的。”

此时此刻,你可能顿感失望,已经开始扔下武器,准备缴械投降了。“起先,他们认定宇宙中到处存在着这种看不见摸不着的物质,而现在,他们又认定这种物质是由某种无法探测到的新材料构成的!这简直是太荒唐啦!”好吧,你并不是第一个这样说的人。

任何一个想要创造出全新引力理论的人,都必须比爱因斯坦更胜一筹。


早在1983年,一些物理学家就已经提出,所谓的暗物质根本就不存在。相反,他们认为万有引力定律肯定是错的,这才是星系行为如此怪异的原因。这一观点被称为“修正牛顿动力学”,英文缩写为MOND。

“我们正在解读宇宙中的‘旋转木马’(这里的‘旋转木马’指的是星系)。”梅西说,“在假定我们知道万有引力如何作用的前提下,仔细观察这些‘旋转木马’的运动规律,也许我们曲解了万有引力定律,从而对证据进行了错误的解读。”

问题是,对于暗物质,MOND的支持者至今没能提出一个切实可行的替代方案,他们的观点解释不了已知的观测数据。“任何一个想要创造出全新引力理论的人,都必须比爱因斯坦更胜一筹。他必须能够解释爱因斯坦已经解释的一切现象,还要对暗物质做出解释。”



2006年,美国航空航天局发布了一张气势恢宏的图像。对很多研究人员来讲,这张图像的发布彻底宣告了MOND的失败。

这是一张显示两个巨大的星系团碰撞场景的图像。由于大多数物质明显地集中在中心区域,因此我们可以推测,那里是万有引力最集中的区域。



有三种方法可以发现暗物质



但是在其边缘区域,光线在引力的作用下同样发生了弯曲。这就意味着,那里存在另外一种形态的物质。

如果这是正确的,那么我们就回到了问题开始的地方。我们面临的挑战是,在根本不知道要找的是什么的情况下找到暗物质。

这听起来似乎比大海捞针还要糟糕,但事实上,有三种方法可以发现暗物质。


第一种方法是观测暗物质在宇宙中的活动。利用已有的宇宙暗物质地图监测其行为,天文学家或许能够探测到偶然发生的暗物质碰撞。

暗物质通常会直接穿过正常物质,双方不发生任何相互作用。但由于它们的数量巨大,在非常偶然的情况下,暗物质会“踢”到原子,使原子像一个台球那样发生后坐。这一碰撞应当会产生伽马射线——一种能量极高的射线。“在这种极其罕见的情况下,暗物质也能够发光。”弗朗克说。

格林说,他们目前已经开展了一些探测实验,正致力寻找此类原子核后坐事件。



2014年,利用美国航空航天局功能强大的费米空间望远镜获取的数据,研究人员宣称,他们已经检测到了由此类撞击事件产生的伽马射线。他们发现,银河系的一个区域内似乎存在伽马射线暴,其来源或许正是暗物质。

这种暴发的模式与理论模型相吻合,但仍然令科学家感到困惑的是,它们是否真的源于暗物质,因为脉冲星或恒星死亡时也会产生同样的伽马射线。


暗物质之间偶尔也会发生碰撞,并且也有一种办法可以对此进行观测。

梅西的团最近正在监测一些发生猛烈碰撞的星系。他们预计,这些星系内的所有暗物质都会径直穿过对方。但出乎意料的是,其中一些暗物质似乎放慢了脚步,落在了它们所在星系的后面。

这一现象表明,这些暗物质之间发生了相互作用。“如果情况确实如此,那么这将是我们获得的首个证据,证明暗物质与它身外的世界有那么一丝丝的相互作用。”梅西说。

不过,以上这两种方法都有一个重大缺陷:你不可能抓住一个星系大小的暗物质云,然后把它放在显微镜下仔细观察。它们太过庞大了,而且距离我们太遥远了。

因此,探测暗物质的第二条路,也许是制造出暗物质。



即使大型强子对撞机确实制造出一些暗物质,但在实际操作中,探测器却不一定能够检测到。

物理学家希望,利用强子对撞机,比如位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机,能够做到这一点。

大型强子对撞机可使质子以接近光速的速度相互碰撞。此类碰撞产生的能量将强大到足以击碎质子,使其分裂成质子组件。因此,利用大型强子对撞机,就可以对这些亚原子碎片进行研究。

英国伦敦大学国王学院的马尔科姆·费尔贝恩说,在这类强大的碰撞中,一些新的粒子,比如WIMP,就很有可能被发现。

他说:“如果暗物质的确是由WIMP组成的,并且我们在大型强子对撞机中发现了这种粒子,那么我们将很可能知道宇宙中的暗物质究竟是由什么组成的。”

然而, 如果暗物质并不像理论中预言的WIMP那样,那么大型强子对撞机将无法检测到它。

在此,还存在另外一个难题:即使大型强子对撞机确实制造出一些暗物质,但在实际操作中,探测器却不一定能够检测到。

“实际情况可能是这样的:系统发现有组粒子朝一个方向移动,而在另一个方向什么也没有。”费尔贝恩说,“发生这种情况只有一种可能,那就是,朝另一个方向移动的是一种探测器无法检测到的东西,很可能就是暗物质粒子。”




如果这种方法也失败了,物理学家还有第三个选择:深入地下。

在一些古老的废弃矿井以及群山深处,科学家正等待着,有朝一日WIMP能够与普通物质发生碰撞,就像费米空间望远镜在太空深处观察到的那类碰撞一样。

每一秒都有数十亿暗物质粒子穿过我们的身体。“它们在你的办公室里,在你的房间里,在任何地方。”弗朗克说,“每一秒都有数十亿个暗物质粒子穿过你的身体,你却浑然不觉。”

从理论上讲,我们应当可以监测到这些撞击中发出的伽马射线闪光。但问题是,还有很多其他东西穿过了你的身体,包括宇宙射线,这会将暗物质粒子产生的信号淹没。

因此,人们想到了地下实验,用厚厚的岩层来阻挡绝大部分宇宙射线,因为暗物质粒子可以穿过岩层。

但到目前为止,我们仍未找到令人信服的信号。2015年8月发表的一篇论文说,意大利格兰萨索国家实验室的XENON1

00探测器,迄今仍是一无所获。




此前还发生过数次误报事件。数年前曾有研究团队宣称,他们进行的暗物质实验已经检测到了暗物质,但大多数物理学家认为他们发现的并非WIMP。

这是一个耻辱柱,时刻提醒我们,距离真正理解我们的宇宙还有多远的路要走。

“最终,我们必须通过不止一种途径观测到暗物质。只有这样,我们才能确认在实验室中观察到的粒子与星系中的暗物质是一回事。”费尔贝恩说。

就目前而言,我们对宇宙的大部分仍是一无所知,并且我们也不清楚这样的情况究竟还要持续多久。

一些宇宙学家,其中也包括弗朗克,对我们能够在今后10年内找到答案满怀信心。而另外一些宇宙学家,比如格林,对此则显得信心不足。她认为,如果大型强子对撞机近期还不能有所发现的话,或许就意味着我们找错了方向。


现在,距离兹威基首次提出暗物质的存在已经80多年了,我们仍未取得暗物质的样品,甚至无法明确它们究竟是什么东西。这是一个耻辱柱,时刻提醒我们,距离真正理解我们的宇宙还有多远的路要走。我们也许知道各种各样的事情,从宇宙的肇始,到地球上生命的演化。但关于我们宇宙的秘密,仍然有待人们去揭晓。

发表于 2016-4-16 03:34:25 | 显示全部楼层
非常不错的文章,谢谢楼主了。。。!!!
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